Евгений  Рудометов

    >>    Часть 6
 

Осторожно, радиация

Рассматривая термоэлектрические генераторы, созданные на основе радиоактивных материалов, необходимо отметить, что они имеют ряд преимуществ по сравнению с альтернативными решениями. Важнейшими являются очень высокая плотность энергии и весьма длительный срок службы таких устройств без необходимости их обслуживания. Генерация тепла радиоактивными изотопами с использованием термоэлектрических модулей обеспечивает постоянное и стабильное электрическое питание в течение длительного времени. Это особенно важно в удаленных и экстремальных условиях, где другие источники энергии могут быть недоступны или неэффективны.

Однако, необходимы специальные меры безопасности и контроля использования радиоактивных материалов, включая эксплуатацию и последующую утилизацию после исчерпания ресурса работы генераторов.

Как показывают расчеты, срок службы установок, использующих РИТЭГи, может составлять 10-30 лет. И у значительной части из них этот срок уже закончился и их требуется вывести из эксплуатации, конечно, с соблюдением всех мер предосторожности. При этом необходимо учитывать, что все эти устройства представляют собой потенциальную опасность, так как размещается в безлюдной местности и могут быть утеряны из-за изменения среды вследствие ураганов, штормов, землетрясений, наводнений и т. п.

Кроме того, они могут быть похищены. Действительно, были зафиксированы случаи разукомплектации, а точнее — варварской разборки РИТЭГов охотниками за цветными металлами. При этом сами похитители получали высокие, а в ряде случаев даже смертельные дозы облучения. Кроме того, опасности подвергались и окружающие люди, попавшие под действие ионизирующего излучения.

Учитывая потенциальную опасность радиоактивных материалов, входящих в состав РИТЭГов, необходимо с особой тщательностью контролировать не только изготовление подобных устройств, но и их работу. Необходимо также планировать меры по тщательному контролю за процедурой утилизации, обеспечивающей предотвращение потенциальных рисков для здоровья людей и исключающей радиоактивное загрязнение окружающей среды.

Заключение

Термоэлектрические модули, биметаллические и полупроводниковые, представляют собой перспективную технологию в области генерации электрического тока. Их высокая эффективность, надежность и экологическая чистота делают их привлекательными для использования в различных приложениях. При правильной оптимизации из работы с учетом  разности температур и других параметров описанные модули позволяют повысить энергоэффективность, устойчивость и инновационность систем электрогенерации. Это открывает новые возможности для использования отходящего тепла, солнечной энергии и радиоактивных материалов в качестве источников тепла для генерации электрического тока.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 1 
     

Сокращенные версии статьи: 

• Модули Пельтье в генераторах электрического тока.
• Модули Пельтье в генераторах электрического тока. / IT-Expert. 2023, №9
• Преобразование тепла в электричество. / Вы и ваш компьютер. 2023, №9, с.21-26 

В статье были использованы материалы книг:

• «PC: Overclocking, Optimization, & Tuning, Second Edition». — USA: A-LIST
• «PC: Hardware Tuning & Acceleration». — USA: A-LIST
• «PC: настройка, оптимизация разгон» Изд.2-е, доп. — СПб.:  BHV-Санкт-Петербург
• “Форсирование аппаратных средств РС”. — СПб.: БХВ-Петербург

Евгений  Рудометов

    >>    Часть 5
 

(кликнуть мышью для увеличения картинки) 

В качестве примера таких источников можно привести РИТЭГ — РадиоИзотопный ТермоЭлектрический Генератор — устройство, преобразующее тепловую энергию естественного распада радиоактивных изотопов в электричество.

По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГи значительно меньше, и конструктивно проще. Выходная мощность РИТЭГа весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при относительно небольшом значении КПД. Однако в них нет движущихся частей, и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями. Благодаря этому такие генераторы могут применяться в космосе для работы автоматических межпланетных станций. Они находят свое примение и на Земле в труднодоступных местах для работы различной аппаратуры, например, радиомаяков наземного или морского базирования.

Что касается космоса, то соответствующие радиоизотопные термоэлектрические генераторы были использованы во многих космических проектах. В качестве примеров можно привести хорошо известные «Аполлоны», а также аппараты «Пионер-10 и -11», «Вояджер-1 и -2», «Кассини-Гюйгенс» и д. р., где использование солнечных батарей неэффективно или даже просто невозможно. Действительно, интенсивность солнечного излучения на орбите Плутона в 1000 раз меньше, чем на орбите Земли. Очевидно, что использование солнечных батарей для обеспечения достаточного энергоснабжения космических аппаратов там просто невозможно.

В конструкции РИТЭГа космического аппарата «Галилео», который был отправлен к Юпитеру в 1981 г., использовались плутоний-238 и полупроводники на основе селена. Этот термоэлектрогенератор после установки радиоизотопного источника энергии через 1000 ч и 59000 ч (почти 7 лет) эксплуатации обеспечивал следующие параметры: тепло изотопного источника, Вт — 2460/2332; тепло, поступающее на термоэлементы, Вт — 2068/1951; температура горячего спая, К — 1133/1090; температура холодного спая, К — 433/410; выходная мощность, Вт — 230/210; термоэлектрическая эффективность, % — 11,1/10,8.

Радиоизотопный генератор зонда «Новые горизонты», отправленного в 2006 г. к Плутону, содержал 11 кг высокочистого диоксида плутония-238, производящего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути: 240 Вт в начале пути и 200 Вт на орбите Плутона. Мощность РИТЭГа снижается примерно на 3,5 Вт в год. Планируемый срок активного состояния аппарата — более 30 лет.

Улучшенный вариант РИТЭГ был установлен на марсоход «Curiosity», ракета с которым была запущена в 2011 г. Этот источник энергии содержит 4,8 кг диоксида плутония-238. Он обеспечивает 2 кВт тепловой мощности, 125 Вт начальной электрической мощности и 100 Вт через 14 лет.

Внутреннее устройство РИТЭГа

Другим примером являются радиоактивные изотопные термоэлектрические генераторы, используемые в множестве приложений, включая применение в медицинских устройствах и научных исследованиях. В своей конструкции генераторы могут использовать различные радиоизотопы, такие как америций-241 (Am-241), стронций-90 (Sr-90) и т.п. Эти радиоактивные материалы применяются в качестве источников тепла для последующего преобразования его в электрическую энергию с помощью термоэлектрических модулей.

В следующей части  данной статьи — о радиоционной безопасности и краткое заключение.
    

>>    Часть 7 
      

Евгений  Рудометов

    >>    Часть 4
 

Области использования термоэлектрических модулей

В качестве распространенных вариантов использования термоэлектрических модулей в генераторах электрического тока можно привести несколько примеров. В них источником энергии является тепло разных уровней интенсивности и сроков работы.

Космические генераторы

В космических аппаратах и межпланетных станциях, где доступ к солнечной энергии может быть ограничен, термоэлектрические модули могут использоваться для генерации электрического тока из отходящего тепла электронных устройств, двигателей ракет и энергоемких механизмов. Работа таких объектов нередко сопровождается значительным теплообразованием, и соответствующие генераторы позволяют обеспечить надежное энергоснабжение в космической среде. Например, при использовании термоэлектрических модулей в космических генераторах можно достичь выходной мощности до 100 Вт и даже больше. Конечно, как это уже утверждалось, эффективность преобразования тепла в электричество с помощью термоэлектрических модулей зависит от разности температур между горячими и холодными сторонами модулей. Чем больше разность температур, тем выше эффективность преобразования.

Рециркуляция отходящего тепла в промышленности

В промышленности термоэлектрические модули могут быть использованы для рециркуляции отходящего тепла и преобразования его в электрическую энергию. Это позволяет повысить энергоэффективность процессов и снизить общие затраты на энергию. Эффективность термоэлектрических модулей в этом случае также зависит от разности температур между горячими и холодными сторонами модулей.

Автомобильная промышленность

Термоэлектрические модули могут использоваться для генерации электроэнергии из тепла двигателя, помогая тем самым улучшить общую энергоэффективность автомобиля. Некоторые автопроизводители уже начали внедрять такие системы в свои модели.

Портативная электроника

Небольшие термоэлектрические модули могут использоваться в устройствах, таких как кемпинговые плиты, которые генерируют электричество для зарядки мобильных телефонов или других устройств от тепла костра.

Генерация тепла радиоактивными изотопами

Радиоактивные материалы, такие как радиоизотопы, могут служить в качестве источников тепла, которое может использоваться для генерации электрического тока с помощью термоэлектрических модулей. В этих системах радиоактивный материал выделяет тепло в результате радиоактивного распада своих ядерных элементов. Тепло передается модулю, который преобразовывает его в электрическую энергию.

Одним из примеров такой технологии являются термоэлектрические генераторы радиоизотопных батарей (RTG). RTG широко используются в космической технологии для длительного обеспечения электрического питания космических аппаратов и зондов, работающих в удаленных и долговременных миссиях, где солнечная энергия не является эффективным источником энергии. В RTG таких космических устройств часто используют плутоний-238 (Pu-238) в качестве радиоактивного источника тепла. При этом плутониевая начинка RTG генерирует тепло, а входящие в конструкцию устройства термоэлектрические модули преобразовывают его в электрическую энергию. Примерами такого применения являются RTG на аппарате Кассини, исследовавшем планету Сатурн и ее спутники, а также на космических аппаратах, исследующих Марс.

В следующей части  данной статьи о РИТЭГах.
    

>>    Часть 6 
      

Евгений  Рудометов

    >>    Часть 3
 

Преимущества термоэлектрических модулей в генерации электрического тока

Основное преимущество использования термоэлектрических модулей для генерации электричества — это их способность прямо преобразовывать тепло в электричество. В отличие от большинства альтернативных вариантов источники электроэнергии с указанными модулями работают без тепловых носителей, двигателей, компрессоров и т. п. Отсутствие каких-либо механических подвижных частей положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках. Генераторы с термоэлектрическими модулями обладают высокой надежностью и долговечностью. Они устойчивы к вибрациям и ударным нагрузкам. Они также компактны, бесшумны и не требуют обслуживания. Все это делает такие изделия очень привлекательными для использования в различных, часто весьма непростых, условиях эксплуатации.

Термоэлектрогенератор ТГК-3 (СССР, 1953г.)

А еще термоэлектрические модули в своей работе преобразования тепла в электрическую энергию не используют вредные газы или жидкости. Это означает, что они экологически безопасны и могут применяться в экологически чувствительных областях.

Термоэлектрические модули обладают относительно невысокой степенью преобразования тепла в электричество. Их коэффициент преобразования обычно находится в диапазоне от 1% до 10%, в зависимости от конкретных параметров модулей и условий работы.

Полупроводниковые модули потребительского класса обычно способны производить от 0,5 до 1,5 вольт на модуль при разнице температур в 50-80 градусов Цельсия. При этом средняя мощность, которую можно получить от одного модуля, как правило, составляет от нескольких десятков милливатт до  единиц ватт. Однако некоторые большие модели, содержащие сотни термопар, могут генерировать большую мощность.

Современные полупроводниковые модули могут успешно работать с разницей в температуре от 50 °C до 150 °C. Для массовых модулей потребительского класса рекомендуемое верхнее значение температуры горячей стороны модуля обычно находится в диапазоне 80-90 °C.  Предельный нагрев определяется типом полупроводников, а также используемыми в модулях сплавами и припоями. Конкретные параметры производитель модуля указывает в его техническом описании.

Кстати, допустимый температурный диапазон работы биметаллических конструкций генерации электричества по сравнению с полупроводниковыми моделями обычно значительно шире и может достигать 1000 °C. Однако и некоторые полупроводниковые материалы также способны функционировать при довольно высоких температурах. Работа модулей при большой разнице температур позволяет достичь высокой эффективности преобразования, а при большом количестве термопар получить значительную выходную мощность.

Все это позволяет использовать термоэлектрические модули, биметаллические и полупроводниковые, в широком диапазоне приложений, где есть значительная разница в температуре между горячими и холодными областями.

Очевидно, что высокий коэффициент преобразования тепла в электричество является главной характеристикой для достижения наилучшей энергетической эффективности. Этот коэффициент в значительной степени определяет показатели  эксплуатационной и экономической эффективности. При этом, чем больше разность температур, тем выше эффективность преобразования. Например, при разнице температур 100 °C эффективность преобразования даже для систем с потребительскими модулями может достигать 3-5%. А некоторые современные термоэлектрические модули могут обеспечит достижение даже коэффициента преобразования в 10%.

Интересно, что в научных изданиях появились статьи, в которых для модулей, созданных из новейших материалов и установленных в оптимальные для них температурные режимы, значение коэффициента преобразования составляет 16%. Это очень высокое значение. Но некоторые исследователи, например, некоторые специалисты Сколково, предсказывают возможность покорения рубежа в 20%. Более того, они утверждают, что это может произойти уже в ближайшие годы.

Остается добавить, что серийные термоэлектрогенераторы имеют различные выходные рабочие напряжения и токи. Это зависит от числа используемых модулей, их конструкции, типа и числа используемых в модулях элементов. Все это в конечном итоге определяет технические параметры источника электрической энергии. Мощность же некоторых моделей достигает сотен ватт, хотя есть варианты термоэлектрогенераторов и киловаттных уровней.

Об областях использования термоэлектрических модулей  в следующей части  данной статьи.
    

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 5 
      

Евгений  Рудометов

    >>    Часть 2
 

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Оценивая возможности термоэлектрических модулей, используемых для целей  прямого преобразования тепла в электроэнергию, следует отметить, что на просторах Интернета есть немало соответствующих статей. В них описаны различные эксперименты по использованию относительно недорогих серийных полупроводниковых модулей Пельтье для генерации электроэнергии. Результаты зависят от моделей модулей и разности температур их горячих и холодных сторон.

Например, как показали результаты использования модели TEC1-12709, при разности температуры горячей и холодной сторон модуля, составляющей 100 °С, выходная мощность термоэлектрогенератора с одним таким модулем составила 2 Вт, а при разности 140 °С — около 3 Вт. Очевидно, что применение нескольких термоэлектрических модулей позволяет соответствующим образом увеличить суммарную выходную мощность термоэлектрогенераторов. При этом в соответствии с законами физики последовательное соединение модулей увеличивает выходное напряжение системы модулей, а параллельное — выходной ток.

В процессе конструирования и использования подобных устройств, обеспечивающих прямую конвертацию тепла в электроэнергию, необходимо учитывать условия  эксплуатации термоэлектрогенераторов и особенности энергоплоотребления. Например, необходимо учитывать сильную зависимость выходного напряжения от величины электрического тока, потребляемого нагрузкой, а также зависимость выходных параметров от колебаний нагрева/охлаждения сторон термоэлектрических модулей. Для компенсации нестабильности выходных параметров целесообразно совместно с термоэлектрогенераторами использовать соответствующие электронные цепи. Они призваны обеспечить на выходе преобразование и стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии. Это решает проблемы нестабильности выходных параметров термопреобразователей.

Термоэлектрогенератор с преобразователем напряжения

Вариант схемы преобразователя, обеспечивающего стабилизацию выходного напряжения

Итак, из приведенных выше материалов следует, что термоэлектрические модули, биметаллические и полупроводниковые, могут успешно преобразовывать разницу в температуре в электрическую энергию. И как показывают многочисленные эксперименты с термоэлектрическими модулями, а также опыт эксплуатации научных и промышленных термоэлектрогенераторов, выходная электрическая мощность может быть значительной.    

О преимуществе использования термоэлектрических модулей для генерации электричества  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 4 
      

Евгений  Рудометов

    >>    Часть 1
    

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Что интересно и важно, указанный выше термоэлектрический эффект является обратимым. Это означает, что описанные термоэлектрические модули можно использовать не только в холодильниках, но и в генераторах электрического тока, конвертируя тепловую энергию в энергию электрическую.

К слову сказать, возможность такой конвертации была выявлена еще до работ Пельтье. Приоритет открытия принадлежит немецкому физику Томасу Иоганну Зеебеку (Thomas Johann Seebeck, 1770‑1831). Данный эффект был открыт им в 1821 году, то есть на 13 лет раньше соответствующих работ Пельтье, а результаты исследования были опубликованы Т. И. Зеебеком в 1822 г. в форме статьи в докладах Прусской академии наук. Учитывая приоритет, следовало бы термоэлектрические модули назвать именем данного исследователя — первооткрывателя термоэлектрического эффекта, кстати, как уже отмечалось, обладающего свойством обратимости. Однако за соответствующими модулями закрепилось наименование «модули Пельтье», и это уже стало в настоящее время общепринятой традицией. По всей видимости, данное наименование сохранится и в будущем.

Возвращаясь же к самому эффекту преобразования тепловой энергии в электрическую, следует отметить, что величина термо-ЭДС для применяемых в настоящее время материалов составляет всего-навсего единицы милливольт на 100 °С разности температур  горячих и холодных контактов (спаев). Установлено, что термоэлектрическими свойствами обладают металлы и их соединения: оксиды, сульфиды, селениды, теллуриды, фосфиды, карбиды и др. Термоэлектрические свойства обнаружены также у сплавов металлов, сплавов соединений некоторых металлов и у интерметаллических соединений. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик и насчитывает в настоящее время уже тысячи сплавов и соединений. Они обеспечивают разные значения термо-ЭДС. Например, пара медь-константан дает 4,28 мВ/100 °С. Это, конечно, немного, но вот соединение тысячи таких пар — это уже 4,28 В. Очевидно, что еще большее число пар обеспечит соответствующее увеличение значения термо-ЭДС. Комбинируя последовательные и параллельные соединения термопар, можно получить на выходе генератора требуемые значения напряжения и тока.

Упрощенная схема термоэлектрогенератора с биметаллическим модулем

Остается добавить, что эффект Зеебека, как и эффект Пельтье, выявлен и в случае использования полупроводников. В 1929 г. советский академик А.Ф. Иоффе предложил применять в термоэлементах вместо металлических проводников специально подобранные полупроводниковые материалы.

Упрощенная схема термоэлектрогенератора с полупроводниковым модулем

Перспективность применения полупроводниковых материалов в термоэлементах обусловлена тем, что они обладают высокой термоэлектродвижущей силой — в 40–50 раз большей, чем в металлах. Таким образом, проявление эффекта Зеебека в полупроводниках оказалось более сильным по сравнению, например, с известными биметаллами. Именно поэтому в настоящее время в термоэлектрогенераторах чаще всего  применяются именно полупроводниковые термоэлектрические материалы. Они обеспечивают наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество.

Об использовании серийных полупроводниковых модулей Пельтье для генерации электроэнергии  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 3 
      

Евгений  Рудометов

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Введение

Стабильное энергопитание является важным условием внедрения и успешного функционирования современных технологий и промышленных процессов. Отвечая на потребности рынка, многочисленные исследователи и инженеры в своих лабораториях постоянно создают новые и улучшают существующие методы и устройства генерации электрической энергии. Среди них, например, электрогенераторы, основу которых составляют термоэлектрические модули, обеспечивающие преобразование тепла в электричество. Такие устройства и компоненты привлекают внимание конструкторов благодаря своим уникальным свойствам и потенциалу в генерации электричества.

В этой статье мы еще раз рассмотрим принцип работы модулей Пельтье, возможность их использования в холодильниках и в термоэлектрических генераторах (термоэлектрогенераторах), осуществляющих прямое преобразование тепловой энергии в энергию электрическую. В статье будут описаны преимущества модулей, некоторые их и термоэлектрогенераторов технические параметры, а также конкретные примеры применения модулей Пельтье в различных генераторах электрического тока. При этом проанализируем стационарные и космические генераторы, их компоненты и особенности конструкции, различные источники тепла для генерации тока, включая радиоактивные, а также зависимость эффективности преобразования от различных условий.

Принцип работы термоэлектрических модулей

Работа термоэлектрических модулей, которые традиционно и, как будет ясно из последующего текста, не совсем корректно называются модулями Пельтье, основана на ряде электрических и тепловых эффектов. Они возникают в соединениях некоторых разнородных проводников, а также в соединениях полупроводников. Со времени открытия этих эффектов с ними связывают имена таких известных ученых девятнадцатого века как Ж. Ш. Пельтье и Т. И. Зеебек.

Жан Шарль Пельтье

Томас Иоганн Зеебек

Эффект Пельтье был открыт в далеком 1834 г. французским исследователем Жаном Шарлем Пельтье (Jean-Charles Athanase Peltier, 1785‑1845), в дальнейшем данный эффект был детально изучен российским физиком немецкого происхождения, академиком СПбАН Эмилием Христиановичем Ленцем (Heinrich Friedrich Emil Lenz; 1804-1865). Суть открытого эффекта заключается в переносе энергии при прохождении электрического тока через разнородные проводники. Это проявляется как выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. С целью усиления данного термоэлектрического эффекта указанные проводники, как правило, а точнее — всегда, объединяют в массивы.

В двадцатом веке эффект Пельтье был открыт и для случая полупроводников, где его проявление по сравнению с применявшимися тогда материалами оказалось более сильным. Как результат, в настоящее время термоэлектрический модуль — это в большинстве случаев уже не массив биметаллических соединений, а набор специальных полупроводниковых термоэлектрических элементов.

А теперь немного о теории возникновения указанного термоэлектрического явления. Как установлено, на контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создает внутреннее контактное поле. Если через область соединения разнородных проводников протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идет против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведет к его нагреву. Если же ток идет по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества. В результате уменьшается его внутренняя энергия, что сопровождается охлаждением его в месте контакта.

Как уже отмечалось, эффект становится значительно заметнее при объединении элементов в массивы, формирующих модули. Таким образом, каждый модуль состоит из наборов термоэлектрических пар, соединенных между собой параллельно или последовательно и расположенных между двумя теперь обычно керамическими пластинами. При прохождении электрического тока через такой термоэлектрический модуль, одна его сторона нагревается, а другая охлаждается. Это происходит из-за того, что электрический ток вызывает перенос тепла от одной стороны модуля к другой.

Подобные средства успешно применяются в различных областях науки и техники, где возникает необходимость в компактных и высоконадежных устройствах охлаждения.

О возможности преобразования тепловой энергии в энергию электрическую  в следующей части  данной статьи.
    

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов
Виктор Рудометов

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Термоэлектрические полупроводниковые модули Пельтье (далее — модули Пельтье) широко используются и в технике, и в научных приборах, и как компоненты сверхкомпактных холодильников, в частности, в составе подсистем охлаждения процессоров в персональных компьютерах. Некоторые теоретические детали, лежащие в основе модулей Пельтье, примеры образцов, их внутреннее устройство и основные параметры, рекомендации по выбору оптимальных моделей модулей, а также серийные варианты кулеров с модулями Пельтье были рассмотрены в предыдущих статьях.

Первая из этих статей была посвящена основам термоэлектрического охлаждения, вторая — выбору модулей Пельтье, выполняемого на основе несложных расчетов, и особенностям последующей их эксплуатации, третья — серийным кулерам с модулями Пельтье в их составе.

Как было отмечено в этих статьях, указанные модули и созданные на их основе кулеры обладают не только бесспорными достоинствами, но и рядом недостатков. Однако конструкции термоэлектрических кулеров, используемых в самых разных областях науки и техники, постоянно совершенствуются. В результате проводимых исследований, выполняемых в многочисленных научных лабораториях, появляются новые идеи и открытия, патенты, изобретения. Все это способствует рождению новейших технологий охлаждения и появлению соответствующих изделий.         

В качестве возможной альтернативы системам с полупроводниковыми модулями Пельтье ряд исследовательских коллективов рассматривают возможность использования калорического эффекта. Они исследуют этот эффект в самых разных вариантах его проявления, а также оценивают возможности его реализации в различных перспективных компактных изделиях. 

Необходимо отметить, что частным случаем калорического эффекта является магнитокалорический эффект — изменение температуры магнитных веществ в условиях изменения внешнего магнитного поля. В частности, удается заметно снижать температуру некоторых материалов при помещении их в сильные магнитные поля. Одним из таких материалов является, например, хорошо известное и популярное среди исследователей соединение Mn₃SnC. Это соединение, кстати, относится к классу перовскитов — чрезвычайно перспективных материалов для многих направлений науки и техники.

К сожалению, необходимость использования полей с напряженностью 2 Тл и выше сильно ограничивает области использования подобных решений. В первую очередь это связано с тем, что магнитные поля высокой напряженности, как например, 2 Тл, требуют очень дорогих и весьма громоздких магнитов. Реализовать их в компактных изделиях в настоящее время технически трудно и пока экономически нецелесообразно. Действительно, генерация сильных магнитных полей требует значительных затрат энергии. Кроме того, такие мощные поля часто плохо совместимы со многими электронными компонентами, нарушая их корректную работу.

Еще одним вариантом калорического эффекта является электрокалорический эффект — заметное изменение температуры веществ под действием сильных электрических полей. Эффект наблюдается в целом ряде сегнетоэлектрических материалов, в том числе в полимерных. Из наиболее популярных среди исследователей подходящих веществ и в этом случае, как и в предыдущем варианте, являются материалы со структурой типа перовскитов.

А недавно ученые из Китая показали, что приложение соответствующего напряжения к специально сконструированному композитному материалу с помощью электрического поля вызывает большой и обратимый калорический эффект. Это достигнуто за счет объединения слоя Mn₃SnC с пьезоэлектрическим слоем титаната цирконата свинца (PZT). Необходимо отметить, что до конца данное явление еще не изучено и поэтому не объяснено должным образом. Однако исследователи считают, что изменение температуры вызвано искажением структуры основного материала пьезоэлектрическим слоем.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)

Перспективным направлением для исследования считается изучение термоэлектрических материалов, которые преобразуют избыточное или «мусорное» тепло в электрический ток. Ученые из Колумбийского Университета, Университета Бургундии с привлечением специалистов Ок-Риджской национальной лаборатории и Аргоннской национальной лаборатории смогли обнаружить нарушение атомных симметрий в теллуриде германия — бинарном неорганическом соединении германия и теллура с формулой GeTe. Это соединение является одним из важных материалов для термоэлектричества. Этот материал, как утвердают исследователи, способен преобразовать отработанное тепло в электричество, а под воздействием электричества он способен охлаждаться.

Остается добавить, что новые способы усиления тепловых эффектов без использования сильных полей могут открыть новые возможности твердотельного охлаждения. В итоге они могут привести к созданию для разных сфер применения более энергоэффективных и легких, а в перспективе и недорогих охлаждающих компактных систем и мобильных устройств. Но все это уже темы совсем других статей. Запасемся терпением и будем пристально следить за результатами исследований. Без сомнения, будет очень интересно!

Сокращенные версии статьи: 

• Альтернативные термоэлектрические технологии.
• Альтернативные термоэлектрические технологии. / IT-Expert. 2023, №2
• Примеры кулеров с модулями Пельтье. / Вы и ваш компьютер. 2023, №1, с.19-22 

В статьях о термоэлектрических технологиях охлаждения, модулях и созданных на их основе кулерах были использованы материалы книг:

• «PC: Overclocking, Optimization, & Tuning, Second Edition». — USA: A-LIST
• «PC: Hardware Tuning & Acceleration». — USA: A-LIST
• «PC: настройка, оптимизация разгон» Изд.2-е, доп. — СПб.:  BHV-Санкт-Петербург
• “Форсирование аппаратных средств РС”. — СПб.: БХВ-Петербург  

Виктор  Рудометов
Евгений  Рудометов

    >>    Часть 2
 

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Современные кулеры с модулями Пельтье

Используя опыт своих многочисленных предшественников, накопленный в течение десятков лет, американская компания Phononic в 2015 году анонсировала выпуск оригинального кулера. Изделие получило наименование Phononic HEX 1.0. По утверждению разработчиков оно сопоставимо по эффективности с системами водяного охлаждения при существенно меньших габаритах и более простой конструкции. Конструкция включает теплоотводящее основание, двухсекционный радиатор, а также 80-миллиметровый вентилятор, расположенный между секциями. Данная система охлаждения совместима с процессорами Intel в исполнении LGA2011, 1366, 1156, 1155 и 1150. Вскоре, примерно через год, на основании опыта эксплуатации изделия Phononic HEX 1.0 компания разработала и выпустила на рынок модель Phononic HEX 2.0 (рис. 4). В состав этого кулера входит элемент Пельтье, а также теплоотводящее основание с тепловыми трубками, связанное с двумя секциями радиатора. Между ними, как и в случае предыдущей модели, находится вентилятор, но, правда, диаметром уже не 80 мм, а 92 мм. Скорость вращения этого вентилятора регулируется. Кулер совместим с процессорами Intel в исполнении LGA2011 и LGA115x, а также процессорами AMD в исполнении AM2, AM2+ и AM3+. Габариты Phononic HEX 2.0 — 125 × 112 × 95 мм, масса — 810 г. В кулере использована светодиодная подсветка. Настройки подсветки и другие параметры работы охладителя доступны в комплектной утилите. Данное устройство предлагается по цене $150.

Рис. 4. Кулер Phononic HEX 2
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

А сравнительно недавно компания EKWB в рамках совместного с Intel проекта представила термоэлектрическую систему охлаждения EK-QuantumX Delta TEC. Изделие специально разработано для отвода тепла от процессоров Intel Core 10-го поколения, известных по кодовому имени Comet Lake. В составе EK-QuantumX Delta TEC используется полупроводниковый модуль Пельтье. Его холодная сторона контактирует с крышкой процессора, а вот образующееся тепло процессора и, конечно, самого модуля отводится средствами водоблока. Данная система, использующая технологию Intel CryoCooling, позволяет достичь уровня охлаждения ниже температуры окружающей среды. Для исключения появления конденсата на холодных поверхностях при значениях температуры ниже точки росы в устройстве используется изолирующий кожух и специальные аппаратно-программные средства, разработанные компанией Intel. Эти средства непрерывно контролируют и корректируют параметры работы системы. Устройство совместимо с разъемом LGA 1200. Для своей работы оно требует отдельного мощного источника электропитания.

Указанная разработка открыла целую серию аналогичных устройств. Так, например, на основе накопленного опыта было создано в сотрудничестве с Intel изделие EK-QuantumX Delta TEC EVO E2 (рис. 5). Как утверждает производитель, это эволюция 2-го поколения криоохлаждающих водоблоков. Данное устройство по сравнению со своим предшественником имеет более мощную пластину TEC, обеспечивающую более чем на 50 Вт большую мощность охлаждения, а также улучшенную электронику второго поколения Delta TEC. На сайте производителя изделие EK-QuantumX Delta TEC EVO E2 предлагается по цене 355,38 евро.

Рис. 5. Кулер EK-QuantumX Delta TEC EVO E2
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

От сектора термоэлектрических устройств охлаждения не осталась в стороне и хорошо известная компания Cooler Master. Она предложила пользователям компьютеров необслуживаемую систему жидкостного охлаждения, температура жидкости в которой ниже комнатной. Конечно, без модуля Пельтье не обошлось и в этом случае. Система охлаждения, предлагаемая для процессоров Intel с разъемом LGA 1200, получила обозначение MasterLiquid ML360 Sub-Zero (рис. 6).

Рис. 6. Кулер MasterLiquid ML360 Sub-Zero
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

В корпусе главного блока, устанавливаемого на центральный процессор, предусмотрен восьмиконтактный разъем питания. Разработчики Cooler Master для изделия MasterLiquid ML360 Sub-Zero рекомендуют использовать блок питания мощностью не менее 750 Вт. Это обеспечит работу и центрального процессора, и термоэлектрической системы его охлаждения. Система рассчитана на работу с процессорами, имеющими в разгоне TDP не более 250 Вт. Помпа, рассчитанная на номинальный ток 1 A и потребляющая до 13,8 Вт, конструктивно вынесена в отдельный корпус 57,3 × 57,3 × 92,2 мм. В главном блоке (рис. 7), размеры которого составляют 89 × 79 × 86,7 мм, расположены:

• плата управления с датчиками и водоблоком (A),
• модуль Пельтье (B),
• переходная медная пластина (C),
• резиновый уплотнитель (D).

Герметичное ограждение с резиновым уплотнением по краям предназначено для точной установки с процессором и поддержания стабильной среды. В состав системы охлаждения входит также резервуар с охлаждающей жидкостью, конструктивно объединенный с радиатором теплообменника и блоком из трех вентиляторов типоразмера 120 × 120 × 25 мм. На сайте Амазона данную модель предлагают за 258 евро.

Рис. 7. Главный блок MasterLiquid ML360 Sub-Zero
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Оценивая приведенные примеры кулеров с модулями Пельтье, необходимо отметить, что число производителей и вариантов систем термоэлектрического охлаждения много больше перечисленного. Следует еще добавить, что область применения подобных средств в действительности много шире указанного компьютерного сектора. Действительно они используются и в технике, и в научных приборах, и как компоненты сверхкомпактных холодильников.

Однако конструкции термоэлектрических кулеров, используемых в самых разных областях науки и техники, постоянно совершенствуются. В результате проводимых исследований, выполняемых в многочисленных научных лабораториях, появляются новые идеи и открытия, патенты, изобретения. Все это способствует рождению новейших технологий охлаждения.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 1 
     

Сокращенные версии статьи: 

• Выбираем кулер Пельтье для процессоров ПК.
• Выбираем кулер Пельтье для процессоров ПК. / IT-Expert. 2023, №2
• Примеры кулеров с модулями Пельтье. / Вы и ваш компьютер. 2023, №1, с.19-22 

В статьи были использованы материалы книг:

• «PC: Overclocking, Optimization, & Tuning, Second Edition». — USA: A-LIST
• «PC: Hardware Tuning & Acceleration». — USA: A-LIST
• «PC: настройка, оптимизация разгон» Изд.2-е, доп. — СПб.:  BHV-Санкт-Петербург
• “Форсирование аппаратных средств РС”. — СПб.: БХВ-Петербург

Виктор  Рудометов
Евгений  Рудометов

    >>    Часть 1
 

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Кулеры 90-х и начала 2000-х

На компьютерном рынке в настоящее время присутствуют различные модули Пельтье как зарубежного, так и отечественного производства. Это обычно простые, надежные и, как правило, сравнительно дешевые, по сравнению со стоимостью компьютерных процессоров, устройства. Обычно радиатор и охлаждающий вентилятор не входят в состав предлагаемых модулей Пельтье. Их пользователи должны покупать отдельно и устанавливать собственными силами. Тем не менее, данные модули позволяют не только познакомиться с перспективными средствами охлаждения, но и использовать их по прямому назначению, то есть в системах тепловой защиты компьютерных компонентов.

В настоящее время на рынке представлены самые разные модели модулей Пельтье (рис. 1). Например, это могут быть миниатюрные изделия весьма скромного хладообразования, предназначенные для защиты чипов небольшого энергопотребления и небольшого теплообразования. Такие модели способны функционировать совместно с простейшими кулерами, представленными лишь небольшими радиаторами. Но имеются в продаже и мощные варианты импортных и отечественных модулей Пельтье. Эти варианты требуют для своей работы соответствующих мощных средств охлаждения. Такие средства часто, особенно в последнее время, в дополнение к термоэлектрическим модулям и радиаторам комплектуются еще и высокопроизводительными системами водяного охлаждения.

Рис. 1. Примеры модулей Пельтье
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Как возможные варианты, давно известные специалистам и энтузиастам, можно привести, например, модули и кулеры компаний Supercool (рис. 2), Computernerd, DesTech Solutions, AOC Cooler, Thermodynamics и др.

Рис. 2. Часть кулера Пельтье c водяным охлаждением
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Кулеры с модулями Пельтье от указанных компаний получили распространение еще во времена Intel Pentium и Intel Pentium II. В тот период были популярны модели кулеров PAX56B, PA6EXB, DT-P54A, AC-P2, PAP2X3B, STEP-UP-53X2, PAP2CX3B-10 BCool PC-Peltier, PAP2CX3B-25 BCool-ER PC-Peltier, PAP2CX3B-10S, BCool-EST PC-Peltier и т. п.

По мере улучшения технологий и роста популярности подобных систем охлаждения число производителей росло. Как результат, компьютерным энтузиастам предлагались все более совершенные изделия с модулями Пельтье.

Так, например, в 2006 году известная компания Titan выпустила под общим наименованием AMANDA (рис. 3) две модели кулеров. Это изделия с буквенными наименованиями TTC-NP02TZ и TTC-NP04TZ. Между собой они отличались лишь типом крепления. Модель TTC-NP02TZ была предназначена для процессоров AMD K8 с разъемом Socket 754/939/940, а TTC-NP04TZ — для процессоров Intel с LGA 775.

Рис. 3. Кулер Titan AMANDA
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Конструкция обеих моделей Titan AMANDA основана на использовании технологий TEC (Thermo-Electric Cooler) и heat-pipe (тепловые трубки). Как утверждалось, благодаря своей конструкции и применению температурного мониторинга данные модели обеспечивали оптимальный уровень охлаждения процессоров без образования конденсата.

Основные характеристики:

• размеры/вес кулера — 140 × 95 × 170 мм / 1035 г;
• размеры, напряжение питания и ток ТЕС-чипа — 40 × 40 мм / 12 В / 5 А;
• материал — алюминий и медь; количество вентиляторов — 2 шт,
• тепловых трубок — 4 шт;
• скорость вращения вентилятора — 1500 об./мин.;
• уровень шума — меньше 20 дБ;
• тепловое сопротивление — 0,12 – 0,15 °С/Вт.

В состав комплекта кулера входила PCI-карта контроллера. Размеры и вес этой карты — 136 × 121 × 21 мм / 50 г.

Энергопотребление кулеров зависело от вычислительной нагрузки процессора и составляло от 5 Вт до примерно 60 Вт.
    

Ряд современных серийных моделей кулеров с модулями Пельтье представлен  в следующей части  данной статьи.
    

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 3 
      

Виктор  Рудометов
Евгений  Рудометов

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Вступление

Современные полупроводниковые чипы нередко эксплуатируются в тяжелых температурных условиях. Обычно умеренно низкие значения температуры окружающей среды не ограничивают работоспособность электронных компонентов, но вот высокие значения явно создают проблемы для конструкторов и пользователей сложных электронных систем. При этом решать эти проблемы тем труднее, чем сложнее внутренние микроархитектуры чипов, предусматривающих использование большого числа транзисторов. В высокопроизводительных моделях, примером которых могут служить современные центральные и графические процессоры, их количество нередко исчисляется уже миллиардами штук в чипах для мощных ноутбуков и настольных систем, и десятками миллиардов — в чипах для рабочих станций и серверных изделий. И каждый из этих транзисторов в процессе своей работы потребляет электроэнергию и генерирует соответствующее тепло. Совместно они формируют значительный тепловой поток, увеличивающийся в условиях высоких вычислительных нагрузок. Кстати, повышенное теплообразование наблюдается еще и при росте тактовых частот и соответствующем повышении напряжения питания чипов. В качестве примера можно привести кратковременную работу интеловских процессоров в режимах Intel Turbo Boost. И, конечно, нельзя не упомянуть непростую, а в ряде случаев и весьма опасную эксплуатацию чипов в условиях оверклокинга (overclocking).

Оверклокинг, обычно называемый разгоном, — это работа чипов при высоких, часто даже экстремальных, тактовых частотах, превышающих штатные значения, установленные производителями этих чипов. Оверклокинг поддерживается большинством потребительских моделей материнских плат. Популярен у ряда компьютерных энтузиастов. Обычно требует соответствующего увеличения напряжения питания, что вызывает повышенные энергопотребление и теплообразование чипов. Именно поэтому чипы в режимах разгона требуют интенсивного охлаждения.

Для охлаждения сверхсложных чипов используются различные охлаждающие средства. Обычно они представлены объемными радиаторами, снабженными соответствующими высокопроизводительными вентиляторами. Часто в составе конструкции кулеров мощных чипов применяются еще и весьма сложные системы тепловых трубок. А в некоторых случаях в составе систем охлаждения используются также элементы водяного охлаждения, в число которых входят: компактная электрическая помпа, резервуар, радиаторы, вентиляторы, плата контроллера. Нередко указанный комплект снабжается также специальным программным обеспечением. Оно осуществляет управление всей компьютерной системой для обеспечения оптимальных температурных режимов работы чипов с целью достижения максимальных уровней их производительности при сохранении устойчивой работы.

Несмотря на бесспорные достоинства подобных решений, еще больше повысить эффективность охлаждения чипов можно добавлением в конструкции их кулеров полупроводниковых модулей Пельтье (далее — модули Пельтье).

Некоторые теоретические детали, лежащие в основе модулей Пельтье, примеры образцов, их внутреннее устройство и основные параметры, а также рекомендации по выбору оптимальных моделей модулей были рассмотрены в предыдущих статьях.

Первая из этих статей была посвящена основам термоэлектрического охлаждения, вторая — выбору модулей Пельтье, выполняемого на основе несложных расчетов, и особенностям последующей их эксплуатации. Теперь же целесообразно рассмотреть примеры серийных кулеров с модулями Пельтье (далее — кулеры Пельтье), что и будет сделано далее в этой статье.
  

Ряд популярных моделей кулеров с модулями Пельтье представлен  в следующей части  данной статьи.
  

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 2 
      

Виктор  Рудометов 
Евгений  Рудометов 

 >>    Часть 2 
  

Особенности эксплуатации

Выбирая оптимальный модуль, следует помнить, что правильно выбранные и правильно эксплуатируемые модули Пельтье являются эффективными средствами. Они способны обеспечить температуры корпусов охлаждаемых элементов ниже температуры окружающей среды. Но это обстоятельство может породить и ряд проблем, часть из которых рассмотрена ниже.

Используемые средства, представленные, как правило, соответствующими радиатором и вентилятором, должны не только рассеивать довольно мощный тепловой поток, но и обеспечивать низкий уровень температуры горячей стороны модуля Пельтье. Связано это с тем, что, вообще говоря, термоэлектрический модуль обеспечивает именно разность температур горячей и холодной своих сторон. Поэтому, чем ниже удается обеспечить с помощью радиаторов/вентиляторов температуру горячей (Th) стороны модуля Пельтье, тем ниже будет температура холодной его стороны (Tc). И в тех случаях, когда традиционные устройства поддержания тепловых режимов не обладают необходимыми параметрами, решением может стать использование мощных средств водяного охлаждения. Здесь уместно еще раз напомнить, что температура холодной стороны модуля, а, следовательно, и прилегающей поверхности охлаждаемого объекта, зависит как от разности температур, так и от величины температуры на горячей стороне этого модуля.

Кстати, следует обратить внимание, что, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль Пельтье, необходимо обеспечить использование всей поверхности горячей и холодной сторон. В противном случае части модуля, не соприкасающиеся с поверхностью защищаемого объекта, например, кристалла процессора, будут только расходовать электроэнергию и выделять тепло, снижая общую эффективность охлаждения (рис. 2, где FAN — вентилятор, M.P. — модуль Пельтье, CPU — процессор, Socket — процессорный разъем).

Рис. 2. Некорректное использование модулей Пельтье большой площади
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Если же площадь, холодной стороны модуля, сделанной из керамики, превышает площадь контакта с охлаждаемым объектом, то необходимо применять промежуточные теплопроводящие пластины достаточных размеров и толщины. Кстати, пластина большой площади позволяет использовать для охлаждения объекта несколько модулей Пельтье, размещенных в одной плоскости, правда, при условии одинаковой их толщины (высоты). Очевидно, что для улучшения взаимного термоконтакта между указанными элементами следует применять качественную термопасту. И, конечно, промежуточная пластина должна быть сделана из материала, обладающего хорошей теплопроводностью. Это может быть алюминий, но предпочтительнее использовать все-таки медь (Cu).

К сожалению, этим не исчерпываются все проблемы использования модулей Пельтье, применяемых, например, в составе кулеров. Дело в том, что архитектура современных сверхсложных чипов (CPU, GPU и т. п.) и работа поддерживающих их системных программ предусматривают изменение энергопотребления в зависимости от загрузки. Это позволяет оптимизировать энергопотребление, что, кстати, предусмотрено также и стандартами энергосбережения, встроенными в аппаратно-программное обеспечение современных компьютеров. В обычных условиях оптимизация работы процессора благотворно сказывается как на тепловом режиме самого процессора, так и общем тепловом балансе. Однако следует отметить, что режимы с периодическим изменением энергопотребления могут плохо сочетаться со средствами охлаждения процессоров, использующих модули Пельтье. Это связано с тем, что простейшие кулеры Пельтье, получившие наибольшее распространение, как правило, рассчитаны на непрерывную работу. Поэтому в случае перехода процессора в режим пониженного энергопотребления и соответственно тепловыделения возможно значительное снижение температуры корпуса процессора, а также и его полупроводникового кристалла. Переохлаждение ядра процессора может вызвать в некоторых случаях временное прекращение его работоспособности, и как результат, стойкое зависание компьютера. Необходимо напомнить, что в соответствии с документацией фирмы Intel минимальная температура, при которой гарантируется корректная работа  процессоров, обычно составляет +5°С, хотя, как показывает практика, они прекрасно работают и при более низких температурах.

А еще, как это уже отмечалось ранее, низкие температуры могут привести к конденсации влаги из воздуха. Вода образуется на холодных частях системы охлаждения. Такими частями являются холодная сторона модуля Пельтье, а, следовательно, и охлаждаемая поверхность защищаемого объекта, например, корпуса процессора. Кроме того, в случае использования теплопроводящей пластины вода конденсируется еще и на ней. Бороться с данным физическим эффектом можно изоляцией холодных участков системы охлаждения от окружающего воздуха. Сделать это можно, например, с помощью губчатой резины, пластика или специальной пены (рис. 3).

Рис. 3. Изоляция холодных участков системы охлаждения
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Некоторые проблемы могут возникнуть и в результате работы ряда встроенных функций, например, тех, которые осуществляют управление вентиляторами кулеров. В частности, режимы управления энергопотреблением процессора в некоторых компьютерных системах предусматривают изменение скорости вращения охлаждающих вентиляторов через встроенные аппаратные средства материнской платы. В обычных условиях это значительно улучшает тепловой режим процессора компьютера, оптимизируя условия его работы. Однако в случае использования простейших кулеров Пельтье, в конструкции которых не предусмотрены температурные датчики и средства контроля, уменьшение скорости вращения может привести к ухудшению теплового режима с фатальным результатом для процессора уже вследствие его перегрева работающим модулем Пельтье. Это связано с тем, что он, как это показано ранее, кроме выполнения функций теплового насоса, сам является еще и мощным источником дополнительного тепла.

Для того чтобы исключить проблемы с режимами изменяемого энергопотребления, вызывающих конденсацию влаги из воздуха и возможное переохлаждение, а в некоторых случаях даже перегрев защищаемых элементов, таких как процессоры компьютеров, следует отказаться от использования подобных режимов и ряда встроенных функций. Однако как альтернативу можно использовать системы охлаждения, предусматривающие интеллектуальные средства управления кулерами Пельтье. Такие средства могут контролировать не только работу вентиляторов, но и изменять режимы работы самих термоэлектрических модулей, используемых в составе активных кулеров. В простейшем случае это может быть миниатюрное термореле на основе биметаллической пластины, укрепленное на модуле Пельтье и управляющее работой его охлаждающего вентилятора.

Остается добавить, что периодически появляются сообщения об экспериментах по встраиванию миниатюрных модулей Пельтье непосредственно в микросхемы процессоров для охлаждения их наиболее критичных структур. Такое решение способствует лучшему охлаждению за счет снижения теплового сопротивления и позволяет значительно повысить рабочую частоту и производительность процессоров.

Конечно, работы по совершенствованию систем обеспечения оптимальных температурных режимов электронных элементов ведутся многими исследовательскими лабораториями. И системы охлаждения, предусматривающие использование термоэлектрических модулей Пельтье, некоторые специалисты считают чрезвычайно перспективными. Что касается реализации подобных систем, то эта тема будет продолжена в следующей статье, в которой будут рассмотрены примеры серийных компьютерных кулеров.

           (кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 1 
      

Сокращенные версии статьи: 

• Выбор и особености эксплуатации модулей Пельтье.
• Выбор и особенности эксплуатации модулей Пельтье. / IT-Expert. 2023, №1  
• Элементы Пельтье для систем охлаждения чипов. / Вы и ваш компьютер. 2022, №12, с.19-22 

В статьи были использованы материалы книг:

• «PC: Overclocking, Optimization, & Tuning, Second Edition». — USA: A-LIST
• «PC: Hardware Tuning & Acceleration». — USA: A-LIST
• «PC: настройка, оптимизация разгон» Изд.2-е, доп. — СПб.:  BHV-Санкт-Петербург
• “Форсирование аппаратных средств РС”. — СПб.: БХВ-Петербург

Виктор  Рудометов
Евгений  Рудометов

   >>    Часть 1
  

Выбор модулей

Итак, как уже отмечалось ранее, модули Пельтье, выделяющие в процессе своей работы большое количество тепла, нуждаются в соответствующих радиаторах и вентиляторах, способных эффективно отводить избыточное тепло не только от защищаемых объектов, но и от самих охлаждающих модулей. Следует отметить, что термоэлектрические модули отличаются относительно невысоким холодильным коэффициентом. Выполняя функции теплового насоса, они сами являются мощными источниками тепла.

Использование данных модулей в составе средств охлаждения электронных комплектующих компьютеров вызывает значительный рост температуры внутри системного блока. Это нередко требует дополнительных мер и технических средств для снижения температуры внутри корпуса компьютера. В противном случае повышенная температура внутри корпуса создаст трудности для работы не только для защищаемых элементов и их систем охлаждения, но также и для остальных компонентов компьютера. А это может нарушить корректную работу всей системы.

Необходимо также подчеркнуть, что модули Пельтье являются сравнительно мощной дополнительной нагрузкой для блоков питания. Как результат, это приводит к целесообразности выбора полноразмерных материнских плат и весьма объемных корпусов с блоками питания достаточной мощности. Обычно все электрические параметры блоков питания приводятся на их корпусах.

Кстати, есть и еще одна важная особенность, которую следует учитывать конструкторам. Дело в том, что модуль Пельтье, в случае выхода его из строя, изолирует охлаждаемый элемент от радиатора кулера. Это приводит к очень быстрому нарушению теплового режима защищаемого элемента и скорому выходу его из строя от последующего перегрева. Поэтому целесообразно использовать только качественные модули, выпускаемые известными производителями. Такие модули, как правило, обладают высокой надежностью. Их ресурс работы нередко превышает 1 млн. часов.

Низкие температуры, возникающие в процессе работы кулеров Пельтье избыточной мощности, способствуют конденсации влаги из воздуха. Это представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать короткие замыкания между элементами. Для исключения данной опасности целесообразно использовать кулеры Пельтье оптимальной мощности. Возникнет конденсация или нет, зависит от нескольких параметров. Важнейшими являются: температура окружающей среды, температура охлаждаемого объекта и влажность воздуха.

Ниже представлена таблица 1, иллюстрирующая зависимость температуры конденсации влаги на охлаждаемом объекте в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха. Используя эту таблицу можно легко установить, существует ли опасность конденсации влаги или нет. Например, если внешняя температура 25°С, а влажность 65%, то конденсация влаги на охлаждаемом объекте происходит при температуре его поверхности ниже 18°С.

Таблица 1. Температура конденсации влаги

В приложении к компьютерам указанные параметры — это  температура и влажность воздуха внутри системного блока, температура верхней поверхности корпуса процессора. Чем теплее воздух внутри корпуса и чем выше влажность, тем вероятнее произойдет конденсация влаги и последующий выход из строя электронных элементов компьютера.

Кроме указанных особенностей, необходимо учесть еще ряд важных электрических и эксплуатационных характеристик, связанных с использованием термоэлектрических модулей Пельтье в составе кулеров. Прежде всего, это касается изделий, созданных и применяемых для охлаждения высокопроизводительных центральных процессоров системных блоков мощных компьютеров.

Очевидно, что эффективность использования модулей Пельтье зависит от выбора подходящей модели и установки соответствующих режимов ее эксплуатации. Необходимо отметить, что неудачный выбор и случайно установленные режимы не только не обеспечивают необходимые условия работы охлаждаемых компонентов, но и могут привести к выходу их из строя. Однако оптимальный выбор модулей является сравнительно непростой задачей и возможно потребует проведения расчетов.

Одну из методик расчетов иллюстрируют графики, представленные на рис. 1. На этом рисунке приведены термоэлектрические характеристики одного из вариантов серийно выпускаемых модулей Пельтье.

Здесь:

• Th(K) — температура горячей стороны модуля Пельтье в градусах Кельвина,
• Imax(A) — максимальный ток в амперах,
• dTmax(K) — максимальная разность температур между горячей и холодной сторонами модуля Пельтье в градусах Кельвина, измеряется без нагрузки в вакууме,
• Umax(V) — максимально допустимое напряжение в вольтах,
• Qcmax(W) — максимальная мощность хладообразования в ваттах,
• RdTm(OHM) — сопротивление модуля по переменному току в омах.

Необходимо отметить, что значения указанных параметров модуля Пельтье зависят от его температуры горячей стороны. Они несколько отличаются от тех значений, которые указываются в каталогах, где характеристики модулей приводятся для температуры 300 K (27°С).

Рис. 1. Термоэлектрические характеристики модуля Пельтье
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Методика расчетов по представленным графикам характеристик сводится к следующим основным действиям:

1. По графику U(I) для выбранного напряжения U определяют ток I, протекающий через модуль Пельтье, при этом величина тока I должна быть в диапазоне восходящей кривой dT(I).
2. Для значения тока I по линиям, определяющим зависимость dT от Qc, (в левом нижнем углу рисунка графиков) выбирается соответствующая характеристика.
3. По известным значениям температур Th и dT определяется температура холодной стороны модуля Пельтье Tc, вычисляемая из формулы dT = Th – Tc, где Tc — температура холодной стороны модуля, Th — температура горячей стороны модуля, dT — разность температур.

Из графиков dT от Qc видно, что с увеличением тепловой мощности (Qc) охлаждаемого элемента снижается разница температур (dT) между горячей (Th) и холодной сторонами (Tc) используемого модуля Пельтье. При этом, чем выше ток, протекающий через модуль и определяемый приложенным напряжением U, тем выше разность dT при фиксированной тепловой мощности Qc.

Ниже приведен пример расчета, исходя из следующих начальных условий: подаваемое напряжение — 12 B, мощность охлаждаемого элемента — 20, 40 и 60 Вт, температура горячей стороны модуля Пельтье (температура основания охлаждающего модуль Пельтье радиатора) — 50°С.

Итак, результаты расчета:

1. Для напряжения 12 В сила ток составляет 5 А.
2. Для электрического тока в 5 А и тепловой мощности охлаждаемого элемента 20 Вт разница температур dT составит примерно 45 К (45°С), для 40 Вт — 25 К (25°С), для 60 Вт — 4 К (4°С).
3. По определенным значениям dT и температуре горячей стороны модуля Пельтье, которая в данном примере составляет 323 К (50°С), можно вычислить температуру Tc для каждого значения Qc. Для случая тепловой мощности охлаждаемого элемента, равной 20 Вт, температура холодной стороны модуля Пельтье составит 278 К (5°С), для 40 Вт — 298 К (25°С), для 60 Вт — 319 К (46°С).

Очевидно, что при использовании более мощного модуля Пельтье можно достичь большей разности температур горячей и холодной сторон. Так, например, модуль с Qc=131 Вт (Imax=8,5 А, Umax=28,8 В), обеспечивает разность температур в 35–40°С для объектов с мощностью теплообразования 60 Вт.

Однако, выбирая подходящий по мощности хладообразования модуль, нельзя забывать и о проблеме его собственной теплотворной способности. Действительно, для рассмотренного модуля, эксплуатируемого в указанных режимах (U = 12 В, I = 5 А), эта мощность составляет 60 Вт. Но существует еще и тепловая мощность охлаждаемого элемента, например, процессора. Тепловой поток, порождаемый данными источниками тепла, ложится тяжелым бременем на охлаждающие средства в лице традиционных радиаторов и вентиляторов.

Особенности эксплуатации  модулей Пельтье рассмотрены  в следующей части  данной статьи.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 3 
      

Виктор  Рудометов
Евгений  Рудометов

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Вступление

Для охлаждения сверхсложных чипов, примером которых могут служить современные центральные и графические процессоры, используются различные охлаждающие средства. Обычно они представлены объемными радиаторами разного дизайна, термически контактирующими с корпусами указанных микросхем, и соответствующими вентиляторами, призванными отводить тепло от этих радиаторов. Повысить эффективность подсистемы охлаждения подобных чипов можно добавлением в традиционные конструкции кулеров специальных термоэлектрических модулей, представленных полупроводниковыми модулями Пельтье.

Полупроводниковые модули Пельтье (далее — модули Пельтье), применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, обладают сравнительно высокой надежностью. Они в отличие от холодильников, созданных по традиционной компрессионной технологии, обычно, за редким исключением, не имеют сложных движущихся частей.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)

А благодаря возможности каскадного включения указанные модули позволяют довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до очень низких, даже отрицательных значений. Это, кстати, возможно даже при значительной электрической и тепловой мощности охлаждаемых чипов.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)

Для обеспечения высокой эффективности подсистем охлаждения и достижения низких значений температуры корпусов защищаемых чипов достаточно грамотно подобрать соответствующие модули и обеспечить их корректное использование.

Некоторые детали теории термоэлектрического охлаждения, лежащие в основе полупроводниковых модулей Пельтье, были рассмотрены в предыдущей статье. Там же были приведены и некоторые примеры образцов модулей, внутреннее устройство и дизайн некоторых моделей, а также приведен ряд основных электрических и эксплуатационных характеристик, которые следует учитывать при конструировании оптимальных вариантов охлаждающих подсистем.

Однако, как и можно было бы ожидать, кроме очевидных преимуществ, модули Пельтье, конечно же, обладают и рядом специфических свойств и характеристик. Их необходимо учитывать при выборе и использовании модулей Пельтье в составе охлаждающих средств. Часть из них были уже отмечены в упомянутой предыдущей статье. Но для корректного применения модулей Пельтье они требуют более детального рассмотрения. Так, например, следует принимать в расчет не только тепловую мощность защищаемых объектов и мощность хладообразования термоэлектрических модулей, но и теплообразование самих модулей, что требует также отвода. Остается добавить, что есть еще проблема конденсации влаги из окружающей среды. Все это и станет объектами рассмотрения в этой статье.

Итак, начнем разбираться в тонкостях выбора и использования полупроводниковых модулей Пельтье, используемых для охлаждения мощных чипов в лице центральных и графических процессоров настольных компьютеров.

Особенности выбора модулей Пельтье рассмотрены  в следующей части  данной статьи.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 2 
      

  Виктор  Рудометов 
Евгений  Рудометов 

 >>    Часть 2 
  

Примеры модулей

Полупроводниковый модуль Пельтье представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n- и n-p-переходы. Каждый из таких переходов имеет тепловой контакт с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной полярности образуется перепад температур между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла. Помещенный холодной стороной на поверхность защищаемого им объекта термоэлектрический модуль, работающий на эффекте Пельтье, по сути, работает тепловым насосом. Данный насос перекачивает тепло от этого объекта на  горячую сторону модуля, охлаждаемую воздушным или водяным кулером. Как любой тепловой насос, он описывается формулами термодинамики. Поэтому модули Пельтье могут быть названы не только термоэлектрическими, но и термодинамическими модулями.

На рис. 6 представлен внешний вид типового герметизированного модуля Пельтье.

Рис. 6. Внешний вид герметизированного модуля Пельтье
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор —холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье (рис. 11), конечно, при обеспечении адекватного их охлаждения. Это позволяет сравнительно простыми, дешевыми и надежными средствами получить значительный перепад температур и обеспечить эффективное охлаждение защищаемых элементов. Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют активными кулерами Пельтье или просто кулерами Пельтье.

Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их существенно более эффективными, по сравнению со стандартными типами кулеров на основе традиционных радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей. Эти особенности вытекают из конструкции модулей и принципа их работы, а также архитектуры современных аппаратных средств компьютеров и функциональных возможностей системного и прикладного программного обеспечения.

Очень большое значение играет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размера, а также от количества и параметров используемых в его составе пар полупроводников p- и n-типа (рис. 5, рис. 7). Действительно, модуль малой мощности не сможет обеспечить необходимый уровень охлаждения, что приведет к нарушению работоспособности защищаемого электронного элемента, например, процессора вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных цепей: непрерывно образующаяся вода может привести к коротким замыканиям в электронных цепях компьютера. Здесь уместно напомнить, что расстояние между токопроводящими проводниками на современных печатных платах нередко составляет доли миллиметров. Тем не менее, несмотря ни на что, именно мощные модули Пельтье в составе высокопроизводительных кулеров и соответствующие системы дополнительного охлаждения и вентиляции позволили в свое время фирмам KryoTech и AMD в совместных исследованиях разогнать процессоры AMD, созданные по традиционной технологии. В результате применения фирменных решений охлаждения удалось  увеличить частоту работы процессоров почти в 2 раза по сравнению со штатным режимом их функционирования. В результате рынку были предложены  высокопроизводительные системы с процессорами, работающими в форсированных режимах.

Необходимо отметить, что модули Пельтье в процессе своей работы выделяют сравнительно большое количество тепла. По этой причине следует применять не только мощный вентилятор в составе кулера, но и меры для снижения температуры внутри корпуса компьютера для предупреждения перегрева остальных компонентов компьютера. Для этого целесообразно использовать дополнительные вентиляторы в конструктиве корпуса компьютера для обеспечения лучшего теплообмена с окружающей средой вне корпуса.

Важнейшими параметрами модулей являются:  максимальный ток потребления (Imax), максимальное напряжение (Umax), мощность хладообразования (Qc max), максимальный перепад температур (dTmax) между горячей и холодной сторонами, измеренная без нагрузки в вакууме, а также размеры (длина L, ширина W, высота H).

Следует отметить, что системы охлаждения на основе термоэлектрических модулей — модулей Пельтье используются не только в электронных системах, таких как компьютеры. Подобные модули применяются для охлаждения различных высокоточных устройств. Большое значение термоэлектрические модули имеют для науки. В первую очередь это касается экспериментальных исследований, выполняемых в физике, химии, биологии. Примеры серийных полупроводниковых модулей Пельтье, выпускаемых серийно, приведены на рис. 6 – рис. 11.

Рис. 7. Полупроводники p- и n-типа в термоэлектрическом негерметизированном модуле
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 8. Пример миниатюрного термоэлектрического модуля
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 9. Пример термоэлектрического модуля специальной формы
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 10. Пример термоэлектрического модуля без одной керамической пластины
             (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 11. Пример каскадного термоэлектрического модуля
             (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Информацию о термоэлектрических модулях и созданных на их основе соответствующих кулерах, а также особенностях и результатах их применения можно найти в журналах, книгах и на сайтах в Интернете.

О некоторых особенностях выбора и эксплуатации модулей Пельтье поговорим в следующей статье.

             (кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 1 
      

Сокращенные версии статьи: 

• Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье?
• Термоэлектрическое охлаждение: где и как использовать модули Пельтье? / IT-Expert. 2022, №10  
• Основы термоэлектрического охлаждения. / Вы и ваш компьютер. 2022, №11, с.19-23 

В статьи были использованы материалы книг:

• «PC: Overclocking, Optimization, & Tuning, Second Edition». — USA: A-LIST
• «PC: Hardware Tuning & Acceleration». — USA: A-LIST
• «PC: настройка, оптимизация разгон» Изд.2-е, доп. — СПб.:  BHV-Санкт-Петербург
• “Форсирование аппаратных средств РС”. — СПб.: БХВ-Петербург

  Виктор  Рудометов 
Евгений  Рудометов 

 >>    Часть 1 
  

Эффект Пельтье

В кулерах Пельтье используется обычный, так называемый термоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье. Данный эффект назван в честь французского часовщика Жана Шарля Пельтье (Jean-Charles Athanase Peltier — французский часовщик и физик, автор трудов по термоэлектричеству, электромагнетизму и метеорологии, 1785‑1845 г.). Сделал свое открытие около двух столетий назад — в 1834 г.

Сам Жан Пельтье не совсем понимал сущность открытого им явления. Истинный смысл данного явления был установлен несколькими годами позже в 1838 году Эмилием Ленцем (Heinrich Friedrich Emil Lenz — российский физик немецкого происхождения, 1804–1865 г.).

В углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы Ленц поместил каплю воды. При пропускании электрического тока в одном направлении капля воды замерзала. При пропускании тока в противоположном направлении образовавшийся лед таял. Тем самым было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока меняется температура. Знак данного изменения зависит от направления тока. При этом помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло. Оно получило название тепла Пельтье. А само явление было названо явлением Пельтье (эффектом Пельтье).

Данный эффект по своей сути является обратным по отношению к ранее открытому явлению Зеебека, наблюдаемому в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных металлов (или полупроводников). Если температуры в местах контактов металлов или полупроводников разные, то в цепи появляется электрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 году Томасом Зеебеком (Thomas Johann Seebeck — немецкий физик, 1770‑1831 г.).

В отличие от хорошо известного тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока, тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:

Q_п = П ×·q,

где q — количество прошедшего электричества (q = I ´ t), П — коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры.

Тепло Пельтье Q_п считается положительным, если оно выделяется, и отрицательным, если оно поглощается.

Рис. 1. Схема опыта для измерения тепла Пельтье, Cu — медь, Bi — висмут
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

В представленной схеме опыта (рис. 1) измерения тепла Пельтье при одинаковом сопротивлении проводов R (Cu+Bi), опущенных в калориметры, выделится одно и то же джоулево тепло в каждом калориметре, а именно:

Q = R ´ I² ´ t

Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительно, а в другом отрицательно. В соответствии с данной схемой можно измерить тепло Пельтье и вычислить значения коэффициентов Пельтье для разных пар проводников.

Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице 1 (T — температура в градусах Кельвина, П — коэффициент Пельтье). 

Таблица 1. Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов

Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется через коэффициент Томсона:

П = a × T,

где П — коэффициент Пельтье, a — коэффициент Томсона, T — абсолютная температура.

Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.

Итак, суть открытого эффекта заключается в следующем: при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного метала в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.

Эффект Пельтье, как и многие термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из полупроводников с электронной (n-тип) и дырочной (p-тип) проводимостью. Такие полупроводники называются, соответственно, полупроводниками с n- и p-тиnами проводимости или просто полупроводниками n- и p-типа.

Рассмотрим термоэлектрические процессы, происходящие в контакте таких полупроводников.

Допустим, электрическое поле имеет такое направление, что электроны в электронном полупроводнике и дырки в дырочном полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу. Электрон из свободной зоны электронного полупроводника после прохождения через границу раздела попадает в заполненную зону дырочного полупроводника и там занимает место дырки. В результате такой рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в контакте в виде тепла. Этот процесс иллюстрирует рис. 2.

Рис. 2. Выделение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

В случае изменения направления электрического поля на противоположное, электроны в электронном полупроводнике и дырки в дырочном полупроводнике будут двигаться в противоположные стороны. Дырки, уходящие от границы раздела, будут пополняться в результате образования новых пар при переходах электронов из заполненной зоны дырочного полупроводника в свободную. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Электроны и дырки, образующиеся при рождении таких пар, увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться. Этот процесс иллюстрирует рис. 3.

Рис. 3. Поглощение тепла Пельтье в контакте полупроводников n- и p-типа
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Итак, в зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников разного типа — p-n- и n-p-переходов вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (p), рекомбинации и образования пар зарядов энергия (тепло) либо выделяется, либо поглощается. Использование полупроводников p- и n-типа проводимости в термоэлектрических холодильниках иллюстрирует рис. 4.

Рис. 4. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических элементах
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — термоэлектрические модули (полупроводниковые модули Пельтье, далее — модули Пельтье) сравнительно большой мощности. Такие модули способны охлаждать объекты со значительными уровнями теплообразования.

Структура полупроводникового термоэлектрического модуля представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структура термоэлектрического модуля (полупроводникового модуля Пельтье)
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Примеры модулей Пельтье рассмотрены  в следующей части  данной статьи.
  

>>    Часть 3 
      

Виктор  Рудометов
Евгений  Рудометов

 
Краткое вступление

Эффективная работа электронных компонентов требует адекватных средств охлаждения, обеспечивающих необходимые температурные режимы работы. Обычно такими средствами являются системы, основой которых являются традиционные радиаторы и вентиляторы разных дизайнов, формирующих эффективные кулеры. Надежность и производительность таких средств непрерывно повышаются за счет совершенствования их конструкций, использования новейших технологий и материалов, а также применения в их составе разнообразных датчиков и элементов контроля. Разнообразие тщательно рассчитанных решений позволяет выбрать и интегрировать оптимальные варианты в состав многочисленных компьютерных систем. Это обеспечивают оперативную диагностику и оптимальное управление с наибольшей эффективностью при обеспечении оптимальных температурных режимов эксплуатации компьютерных элементов, повышает надежность и удлиняет сроки безаварийной работы защищаемых электронных систем.

Несмотря на то, что параметры традиционных кулеров непрерывно улучшаются, среди конструктов имеются сторонники альтернативных средств охлаждения электронных элементов. Они считают, что к перспективным средствам относятся кулеры с полупроводниковыми термоэлектрическими модулями. Интерес к таким изделиям периодически увеличивается у многих пользователей компьютеров, которых по какой-либо причине не устраивают традиционные решения.

Работа темоэлектрических модулей – модулей Пельтье основана на эффекте Пельтье, открытом еще в 1834 г. Жаном Шарлем Пельтье (Jean-Charles Athanase Peltier, 1785‑1845).

Жан Шарль Пельтье (Википедия)
(кликнуть мышью для увеличения картинки)

В настоящее время термоэлектрический модуль — это уже не массив биметаллических соединений, а набор специальных полупроводниковых термоэлектрических элементов. Подобные средства успешно применяются в различных областях науки и техники.

В шестидесятых и семидесятых годах отечественной (и зарубежной) промышленностью предпринимались неоднократные попытки выпуска бытовых малогабаритных холодильников, работа которых была основана на эффекте Пельтье в биметаллах и полупроводниках. Несовершенство существовавших в то время полупроводниковых технологий, недостаточная культура производства, низкие значения коэффициента полезного действия и высокие показатели себестоимости и отпускных цен не позволили тогда подобным устройствам покинуть научно-исследовательские лабораторииения, чтобы стать массовыми бытовыми изделиями.

Однако эффект Пельтье и соответствующие термоэлектрические модули не остались уделом только ученых. В процессе совершенствования технологий и производств многие негативные явления удалось существенно ослабить. В результате этих усилий были созданы высокоэффективные и надежные полупроводниковые модули. Они нашли применение в самых разных сферах науки и техники, а спустя некоторое время и в бытовых компактных устройствах.

В последние годы данные модули, работа которых основана на эффекте Пельтье, стали активно использовать для охлаждения разнообразных электронных компонентов компьютеров. Их, в частности, стали применять для охлаждения производительных процессоров, работа которых сопровождается высоким уровнем тепловыделения.

Благодаря своим уникальным тепловым и эксплуатационным свойствам устройства, созданные на основе термоэлектрических модулей — модулей Пельтье, позволяют достичь необходимого уровня охлаждения компьютерных элементов без особых технических трудностей и финансовых затрат. Как кулеры электронных компонентов, данные средства поддержки необходимых температурных режимов являются чрезвычайно перспективными. Действительно, они компактны, удобны, надежны и обладают высокой эффективностью работы.

Особенно большой интерес полупроводниковые кулеры представляют в качестве средств, обеспечивающих интенсивное охлаждение в компьютерных системах, элементы которых, установлены и эксплуатируются в форсированных режимах оверклокинга (overclocking — разгон — работа чипов при экстремально высоких тактовых частотах, обычно это сопровождается соответствующим повышением напряжения питания, чипы в таких режимах требуют интенсивного охлаждения). Однако работа компьютерных компонентов в подобных режимах отличается значительным тепловыделением и нередко находится на пределе возможностей компьютерных архитектур, а также существующих и используемых микроэлектронных технологий.

Нередко энтузиасты устанавливают рекорды производительности процессоров, охлаждая их сухим льдом (твердой углекислотой) или жидким азотом. Хотя эти методы весьма эффективны, они неудобны в условиях длительной работы компьютеров.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)

Альтернативным вариантом являются системы с кулерами, в состав которых входят модули Пельтье. Такие решения много удобнее, они способны длительное время обеспечивать температурные режимы работы защищаемых элементов значительно ниже температуры окружающей среды. Конечно, это достижимо только в случае корректного выбора и использования средств охлаждения с модулями Пельтье.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)

Эффект Пельтье и теоретические основы работы полупроводниковых модулей, созданных на основе этого эффекта, днтально рассмотрены  в следующей части  данной статьи.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

Часть 3 
  

В заключение необходимо подчеркнуть, что полученные результаты, как и предполагалось, демонстрируют значительную зависимость параметров подсистем от используемых в них модулей. Производительность действительно увеличивается при использовании более совершенных модулей SO-DIMM и M.2 SSD.

При этом особенно удивительно, что вариант с менее скоростными, но более емкими модулями оперативной памяти, оказался производительнее по сравнению со штатным вариантом. Действительно, замена в подсистеме ОЗУ мини-ПК NUC10i5FNKPA2 штатных модулей SO-DIMM DDR4-2400 от Kingston (Kingston KVR26S19S6/4) на альтернативный вариант в лице SO-DIMM DDR4-2400 от Micron (Crucial CT16G4SFD824A) привела к ускорению операций чтения примерно на 12%, операций записи — на 8%.

Замена же штатного накопителя M.2 SSD от Kingston на более скоростную и более емкую модель M.2 SSD от Intel показала еще более впечатляющие результаты ускорения. Действительно, последовательное чтение — рост в 3,2 раза, последовательная запись — рост в 1,8 раза, а для случайных операций увеличение оказалось еще более значительным — более чем двукратное. Все это особенно важно для задач, которым требуется оперативный доступ к внутреннему накопителю для быстрого чтения и записи данных.

Остается добавить, что полученные оценки демонстрируют результаты модернизации готовой системы Intel NUC 10. Однако все это ни в коей мере не умаляют достоинств готовых решений с установленными производителем аппаратно-программными компонентами, обеспечивающими работу «сразу из коробки». Окончательный выбор же между полностью готовым к работе мини-ПК и соответствующим набором, требующим доукомплектования недостающими компонентами, остается за потенциальным пользователем.

Итак, если «крестовая» отвертка, внутренние разъемы, компьютерные компоненты, а также перспектива самостоятельной установки 64-разрядной операционной системы Microsoft Windows 10 в вариантах Home или Pro или же более современных версий в лице Microsoft Windows 11 не пугают, то свой взгляд можно и даже, пожалуй, целесообразно остановить на одной из моделей Kit. Это позволит сразу скомпоновать оптимальную для планируемых задач систему, установив соответствующие модули оперативной и энергонезависимой памяти. При этом на сайте Intel нетрудно найти перечень верифицированных моделей всех недостающих компонентов, сознавая, впрочем, что указанными вариантами список совместимых элементов не исчерпывается. И конечно, на сайте производителя есть еще и документы с описанием моделей и подробные пошаговые инструкции всех необходимых операций сборки, настройки и модернизации Intel NUC 10 силами профессионалов и опытных компьютерных энтузиастов. Ну а для других пользователей, которые не хотят или не могут самостоятельно заниматься компьютерным конструированием, есть полностью готовые к использованию модели Mini PC. При этом независимо от сделанного выбора следует помнить, что у пользователей всегда имеется возможность поменять модули оперативной памяти, накопители, а также варианты операционных систем, независимо от выбранных моделей Kit или Mini PC, выполненных как в конструктиве Slim, так и Tall.

>>    Часть 1 
      

Сокращенные версии статьи: 

• Стоит ли апгрейдить Intel NUC 10? 
• Стоит ли апгрейдить Intel NUC 10? / IT-Expert. 2022, №4, с.38-43 
• Модернизация Intel NUC. / Вы и ваш компьютер. 2021, №4, с.12-16

Дополнительные материалы: 

• Экспресс-тест Intel NUC10 Performance Mini PC 
• Архитектура мини-ПК Intel NUC10i5FNKPA 
• Производительность Intel NUC10i5FNKPA 
• 32GB vs 8GB в Intel NUC10i5FNK 
• Intel NUC10i5FNK: Kit и Mini PC 
• Архитектура мини-ПК Intel NUC8i7INHJA 
• Экспресс-тест Intel SSDPEKKW020T8
• M.2 SSD Intel 760p 2TB 
• Модули Crucial CT16G4SFD824A в Intel NUC7i7BNHX1 

Евгений Рудометов 
 

Часть 2 
  

Как и предсказывалось, не менее интересные результаты были получены в процессе модернизации дисковой подсистемы Intel NUC 10. В исследовании использовались две конфигурации дисковой подсистемы: 256 Гбайт и 2048 Гбайт. При этом в конфигурации данного компьютера были сохранены штатные модули ОЗУ в лице двух модулей Kingston KVR26S19S6/4 с общим объемом 8 Гбайт.

Первая конфигурация с информационным объемом дисковой подсистемы 256 Гбайт является штатной и представлена модулем M.2 Kingston SSD 256 GB (модель Kingston U-SNS8154P3/256GJ). Об этом накопителе из документов его производителя известно лишь то, что Kingston U-SNS8154P3/256GJ — это “M.2 2280 x2 256 GB SSD” c “PCIe Gen. 3 NVMe 1.2”. К сожалению, для пользователей подобных изделий нет очень важных показателей. К ним относятся, например, скоростные параметры, время наработки на отказ (MTBF) и данные об износоустойчивости (ресурс перезаписи данных, TBW). Не помешала бы пользователям и информация об энергопотреблении, примененном контроллере, особенностях кэширования информации и типе используемых микросхем флеш-памяти, влияющих на скорость обработки данных. Кстати, даже при наличии в архитектуре мини-ПК четырех линий PCIe подключение этого накопителя выполняется только через две линии PCIe. Это обстоятельство не позволяет надеяться на очень высокие значения скоростей чтения/записи, что, впрочем, подтверждается тестированием, результаты которого приведены ниже. Внешний вид этого накопителя (далее — SSD 256 GB) представлен на рис. 7.

Вторая конфигурация с информационным объемом дисковой подсистемы 2048 Гбайт представлена модулем M.2 Intel SSD 2048 GB — Intel SSD 760p Series 2.048 TB, в каталоге данное изделие обозначено как модель SSDPEKKW020T8. Как следует из технических документов, приведенных на сайте производителя этого накопителя, данный модуль SSD создан на основе микросхем 3D NAND, форм-фактор — M.2 2280, интерфейс — PCIe NVMe 3.1 x4. Подключение этого изделия в Intel NUC 10 осуществляется через четыре линии PCIe Gen. 3, что вместе с используемыми элементами и реализованными технологиями обеспечивает очень высокие скоростные характеристики накопителя. Действительно, объявлены производителем следующие скоростные параметры: последовательные чтение/запись — 3230/1625 Мбайт/с, случайные чтение/запись — 340000/275000 IOPS. Энергопотребление этого накопителя: активный режим — 70 мВт, режим простоя — 25 мВт. Параметры надежности: время наработки на отказ (MTBF) — 1,6 млн час, износоустойчивость (TBW) — 576 Тбайт. Внешний вид этого накопителя (далее — SSD 2048 GB) представлен на рис. 7 вместе со штатным модулем SSD 256 GB.

Рис. 7. Модули SSD 256 GB и 2048 GB
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Прежде, чем перейти к результатам исследования дисковой подсистемы с SSD 256 GB и SSD 2048 GB, необходимо еще раз напомнить, что архитектура и конструктив мини-ПК NUC10i5FNKPA2, а также родственного ему набора NUC10i5FNK2, предусматривают наличие только одного накопителя. Для полноценной работы компьютера, конечно, требуется еще и наличие операционной системы, установленной на этот накопитель.

В случае SSD 256 GB никаких аппаратно-программных проблем не возникает, так как этот накопитель является частью штатного комплекта NUC10i5FNKPA2. На этот накопитель операционная система уже установлена производителем данного устройства, что и обеспечивает потенциальному пользователю работу «из коробки». После добавления к операционной системе тестовых программ можно практически сразу переходить к исследованию возможностей компьютера.

А вот с SSD 2048 GB все несколько сложнее. На этот изначально «пустой» SSD до его  тестирования следует установить операционную систему и, конечно, тестовые программы. Вообще говоря, для опытного пользователя это не является сложной проблемой. Однако для корректного сравнения между собой обоих накопителей SSD целесообразно иметь на них одинаковое системное и прикладное программное обеспечение. Как вариант, формирование необходимого программного обеспечения на SSD 2048 GB можно осуществить через операцию клонирования SSD 256 GB.

Операцию клонирования можно выполнить разными способами. Самым простым и оптимальным является использование специального внешнего контейнера под M.2 SSD с внутренним интерфейсом PCIe x2/x4 и внешним интерфейсом USB 3. Однако в данном случае указанная операция была выполнена на мини-ПК NUC8i7INHJA. Эта модель, выпущенная в корпусе Tall, допускает установку двух накопителей: M.2 SSD и 2.5” HDD/SSD. При выполнение операции клонирования системным диском выступил встроенный 2,5” HDD. С помощью программы Acronis с накопителя SSD 256 GB, установленного вторым накопителем, информация копировалась на внешний диск, подключенный через порт USB. Потом вместо SSD 256 GB в систему устанавливался накопитель SSD 2048 GB, и с помощью Acronis информация копировалась на SSD 2048 GB.

В результате указанных действий на SSD 256 GB и SSD 2048 GB была обеспечена идентичность программного обеспечения, включая все настройки. Устанавливая по очереди указанные накопители (рис. 7) в NUC10i5FNKPA2, можно было осуществлять их тестирование.

Оценки емкостных параметров дисковой подсистемы, представленной системным логическим диском (диск C:) и созданной на основе штатного накопителя SSD 256 GB (рис. 7), были выполнены с помощью штатных средств Microsoft Windows 10 Home 64-bit. Результаты приведены на рис. 8.

Рис. 8. Емкостные параметры дисковой подсистемы с SSD 256 GB

Традиционно емкость накопителей их производители выражают в десятичных единицах. В них информационная емкость диска, доступная для системных и пользовательских программ, равна 255 009 484 800 байт. В более привычных для компьютерных специалистов двоичных единицах она составляет 237 Гбайт.

Оценивая данные показатели, необходимо отметить, полная емкость накопителя в действительности несколько больше. Дело в том, что небольшая часть информационного пространства, составляющая примерно 1,1 Гбайт (менее 0,5% от общей емкости), занята под системные нужды: 100 Мбайт — системный раздел, зарезервированный и используемый операционной системой, 1 Гбайт — раздел Recovery, необходимый для ее восстановления. Эта часть является скрытой и недоступной, например, для данных и инсталляции системных и прикладных программ. Для оценки всей информационной емкости накопителя SSD 256 GB необходимо к значениям, приведенным на рис. 8, прибавить размер скрытых разделов. Распределение информационного пространства SSD 256 GB представлено на рис. 9.

Рис. 9. Распределение информационного пространства SSD 256 GB
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Скоростные возможности дисковой подсистемы с SSD 256 GB были оценены с помощью соответствующих тестовых программ. Полученные результаты приведены на рис. 10 и рис. 11.

Рис. 10. Оценка скоростных параметров дисковой подсистемы с SSD 256 GB, выполненная CrystalDiskMark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 11. Оценка скоростных параметров дисковой подсистемы с SSD 256 GB, выполненная ATTO Disk Benchmark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Оценки емкостных параметров дисковой подсистемы с накопителем SSD 2048 GB (рис. 7), который в процессе тестирования сменил штатный накопитель SSD 256 GB, были выполнены также с помощью встроенных средств Microsoft Windows 10 Home 64-bit. Результаты этой оценки приведены на рис. 12.

Рис. 12. Емкостные параметры дисковой подсистемы с SSD 2048 GB

В десятичных единицах доступная емкость в этой конфигурации составляет 2 047 083 540 480 байт, а в двоичных — 1,86 Тбайт. Оценивая эти значения, необходимо отметить, что, как и в варианте с SSD 256 GB, здесь также небольшая часть информационного пространства накопителя является скрытой. Как и в предыдущем варианте, эту часть нельзя использовать для  системных и пользовательских приложений, решающих поставленные задачи. Однако доступная емкость этого варианта дисковой подсистемы является очень высокой. И, как и в случае с SSD 256 GB, для оценки информационных возможностей накопителя SSD 2048 GB необходимо к значениям, приведенным на рис. 12, прибавить размер скрытых разделов. Остается добавить, что модели двухтерабайтных накопителей обычно имеют существенно меньшие емкостные показатели и, как правило, не превышают 2 000 000 000 000 байт, здесь же явно больше объявленных 2048 000 000 байт.

Скоростные возможности дисковой подсистемы с SSD 2048 GB были оценены с помощью тех же тестовых программ, которые использовались с SSD 256 GB. При этом благодаря клонированию все настройки, включая параметры BIOS Setup, были теми же, что и в случае SSD 256 GB. Полученные результаты тестирования дисковой подсистемы с SSD 2048 GB приведены на рис. 13 и рис. 14.

Рис. 13. Оценка скоростных параметров дисковой подсистемы с SSD 2048 GB, выполненная CrystalDiskMark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 14. Оценка скоростных параметров дисковой подсистемы с SSD 2048 GB, выполненная ATTO Disk Benchmark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Оценивая результаты тестирования дисковой подсистемы в вариантах с накопителями SSD 256 GB и SSD 2048 GB, следует обратить внимание на то, что, как и в случае модулей оперативной памяти, замена штатных накопителей на альтернативные также существенно повысила скоростные параметры соответствующей подсистемы.

В следующей части  данной статьи — выводы.

>>    Часть 4 
      

Евгений Рудометов 
 

Часть 1 
  

Итак, скоростные возможности подсистем указанных моделей Intel NUC 10 были оценены в процессе тестирования NUC10i5FNKPA2 (далее просто Intel NUC 10) с разными моделями модулей оперативной памяти SO-DIMM DDR4 и разными моделями накопителей энергонезависимой флеш-памяти форм-фактора M.2 SSD.

Основные компоненты, использованные в исследуемой системе:

• Процессор — Intel Core i5-10210U (литография 14 нм, микроархитектура Comet Lake, 4 физических ядра, работающих c 8 потоками, базовая частота — 1,6 ГГц, частота в режиме Turbo Boost — 4,2 ГГц, кэш — 6 Мбайт, TDP — 15 Вт),
• Материнская плата — Intel NUC10i5FNB,
• Графическая подсистема — встроенная в процессор Intel UHD Graphics,
• Оперативная память — 2×4 GB (Kingston SO-DIMM DDR4-2666) и 2×16 GB (Crucial SO-DIMM DDR4-2400),
• Дисковая подсистема — M.2 Kingston SSD 256 GB и M.2 Intel SSD 760p 2048 GB,
• Блок питания — внешний компактный блок HKA09019047-6U (AC-DC: input — 100-240 V / 50-60 Hz; output — 19 V, 4,74 А, 90 W max),
• Операционная система — ОС Microsoft Windows 10 Home 64-bit.

Как следует из приведенного описания тестовых вариантов, в исследовании подсистемы оперативной памяти использовались две конфигурации подсистемы оперативной памяти (ОЗУ): 8 Гбайт и 32 Гбайт. Тестирование осуществлялось с помощью предварительно установленных программных пакетов: AIDA64 Business, PassMark PerformanceTest.

Первая конфигурация с информационным объемом 8 Гбайт представлена двумя модулями SO-DIMM DDR4-2666 производства Kingston —  модели Kingston KVR26S19S6/4. Каждый модуль имеет объем 4 Гбайт. Основные параметры согласно опубликованным производителем техническим данным, доступным для пользователей: 512 M×64-bit (4 GB), DDR4-2666, CL19, 260-pin SO-DIMM, VDD=1.2 V Typical. Внешний вид данного модуля оперативной памяти (4 GB) представлен на рис. 2.

Вторая конфигурация с информационным объемом 32 Гбайт представлена двумя модулями SO-DIMM DDR4-2400 производства Micron — модели Crucial CT16G4SFD824A. Каждый модуль имеет объем 16 Гбайт. Основные параметры: PC4-19200, CL=17, Dual Ranked, x8 based, Unbuffered, NON-ECC, 2048 Meg×64, 260-pin SO-DIMM, 1.2 V. Внешний вид данного модуля оперативной памяти (16 GB) представлен на рис. 2 вместе с Kingston KVR26S19S6/4 (4 GB).

Рис. 2. Модули ОЗУ 4 GB и 16 GB
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

На рис. 3 приведены параметры модулей Kingston KVR26S19S6/4 и Crucial CT16G4SFD824A, определенные AIDA64 Business и используемые в подсистеме оперативной памяти Intel NUC 10.

Рис. 3. Характеристики модулей ОЗУ 4 GB и 16 GB
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Далее представлены результаты тестирования подсистемы оперативной памяти обеих конфигураций при сохранении в системе штатного накопителя M.2 Kingston SSD 256 GB.

Результаты оценки скоростных параметров подсистемы ОЗУ для вариантов 2×4 GB и 2×16 GB, полученные с помощью тестов AIDA64 Cache & Memory Benchmark и AIDA64 GPGPU Benchmark, входящих в состав программного пакета AIDA64 Business, приведены на рис. 4 и рис. 5.

Рис. 4. Оценка подсистемы ОЗУ из 2×4 GB и 2×16 GB тестом AIDA64 Cache & Memory Benchmark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 5. Оценка подсистемы ОЗУ из 2×4 GB и 2×16 GB тестом AIDA64 GPGPU Benchmark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Результаты тестирования подсистемы оперативной памяти обеих выше указанных конфигураций, полученные с помощью теста Memory Mark пакета PassMark PerformanceTest (PassMark Software), приведены на рис. 6.

Рис. 6. Оценка производительности ОЗУ из 2×4 GB и 2×16 GB тестом Memory Mark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Как следует из полученных результатов тестирования, замена штатных модулей на альтернативные существенно повысила производительность подсистемы оперативной памяти.

Результаты тестирования дисковой подсистемы  рассмотрены  в следующей части  данной статьи.

>>    Часть 3 
      

Евгений Рудометов 
 

В семействе компактных настольных компьютерных систем компания Intel предлагает   модели Intel NUC 10 (NUC — Next Unit of Computing), созданные на основе мобильных процессоров десятого поколения. Указанные компьютерные устройства могут быть использованы, например, в качестве основы компактных офисных и домашних ПК, управляющих систем, сетевых терминалов и информационных систем с поддержкой до трех дисплеев. Эти компактные компьютеры можно применять и в составе развлекательных мультимедийных комплексов, обеспечивающих воспроизведение видео разных стандартов, включая 4К (до 4096 х 2160 @ 60 Hz, 24 bpp), а также высококачественного многоканального аудио (7.1 digital). Файлы данных могут храниться как на внутренних накопителях, входящих в состав Intel NUC 10, так и передаваться на обработку от внешних хранилищ информации. Для этого могут использоваться порты USB и Thunderbolt, а также скоростные проводные и беспроводные каналы передачи данных, представленные аппаратно-программными средствами гигабитного Ethernet, Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax, 2.4/5 GHz, 2.4 Gbps), Bluetooth 5.

Модели Intel NUC 10 представлены как наборами, так и моделями мини-ПК. При этом первые, получившие наименование “Intel NUC 10 Performance kit” (модели Kit), требуют доукомплектования модулями оперативной памяти и соответствующими накопителями. Кроме того, наборам необходима еще и установка операционных систем. Вторые — это “Intel NUC 10 Performance Mini PC” (модели Mini PC). Изделия данной группы являются полностью готовыми для работы компактными системными блоками ПК.

Модели Kit и Mini PC десятого поколения, как и их предшественники, выпускаются в металлических корпусах двух форм-факторов.

Первый вариант — модели Tall (Tall Kit и Tall Mini PC), чьи габариты составляют 117×112×48 мм, с ножками высота — 51 мм. Данные варианты предусматривают установку до двух накопителей информации: один M.2 SSD с габаритами 22х80/22х42 мм и один 2.5” HDD/SSD толщиной 7,0 мм.

Второй вариант — модели Slim (Slim Kit и Slim Mini PC) обладают габаритами 117×112×34 мм, с ножками высота — 38 мм. Архитектура этих устройств практически совпадает с изделиями Tall, созданными на тех же процессорах. Но конструктив моделей Slim Kit и Slim Mini PC допускает установку только одного накопителя M.2 SSD с интерфейсами либо SATA 3, либо PCI Express Gen.3 x4/x2. Подключить 2.5” HDD/SSD теоретически возможно, так как на материнской плате присутствует соответствующий разъем SATA 3, но конструктив не позволяет поместить этот дополнительный диск внутрь корпуса Slim.

Как примеры популярных вариантов “Slim”, можно привести модели NUC10i5FNK2 и NUC10i5FNKPA2. Эти Slim-модели имеют одну и ту же архитектуру, включая проводные и беспроводные интерфейсы, одинаковые внутренний и внешний дизайны. Однако они отличаются друг от друга тем, что первая модель — это набор, а вторая — полностью укомплектованное производителем устройство, которое готово к работе после 5-минутной начальной настройки операционной системы Microsoft Windows 10 Home 64-bit. При этом настройка не требует от потенциального пользователя специальных профессиональных знаний и опыта. Остается добавить, что оба устройства допускают возможность смены двух модулей памяти SO-DIMM DDR 4, одного накопителя M.2 SSD и операционной системы Microsoft Windows 10 Home 64-bit на альтернативные, но совместимые с архитектурой и конструктивом варианты.

Внешний вид модели NUC10i5FNKPA2, кстати, полностью совпадающий с NUC10i5FNK2, приведен на рис. 1, параметры NUC10i5FNKPA2 представлены в таблице 1.

Рис. 1. Мини-ПК NUC10i5FNKPA2
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Таблица 1. Технические характеристики

Идентичность архитектур и конструктива указанных моделей Kit и Mini PC, а также возможность использования разных компонентов порождает проблему оптимального выбора. Действительно, какой вариант целесообразно выбрать: Kit и Mini PC, а также какие «подводные камни» поджидают на этом пути потенциальных пользователей? Попробуем разобраться в данной проблеме, и может быть дать рекомендации, облегчающие выбор оптимального решения.

Очевидно, что параметры конечного устройства в лице NUC10i5FNK2 / NUC10i5FNKPA2 зависят от используемых элементов. В этом можно убедиться на примере сравнения скоростных параметров подсистем оперативной и энергонезависимой памяти, выполненных на разных модулях. Анализ результатов сравнения может оказать помощь потенциальному пользователю в выборе оптимального решения: либо набор, либо готовая система. При этом следует подчеркнуть, что независимо от выбора Intel NUC 10 у пользователя всегда остается возможность модернизации компьютерной системы путем замены модулей памяти и/или накопителя с операционной системой. Полученные результаты могут быть полезны и в случае доукомплектования наборов, и модернизации готовых систем иных моделей Intel NUC 10, и даже моделей предыдущих и последующих поколений данных устройств.

Cкоростные возможности подсистем указанных моделей Intel NUC 10 были оценены в процессе тестирования NUC10i5FNKPA2 с разными моделями модулей оперативной памяти SO-DIMM DDR4 и разными моделями накопителей энергонезависимой флеш-памяти форм-фактора M.2 SSD. Результаты данного исследования приведены далее.

Конфигурация исследуемой системы и ряд результатов проведенного тестирования рассмотрены  в следующей части  данной статьи.

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

Развивая семейство компактных настольных компьютеров своей собственной разработки, компания Intel, выпустила на рынок десятое поколение мини-ПК Intel NUC (Next Unit of Computing).

Новинки представлены двумя группами изделий, являющихся, по сути, системными блоками. Первая группа — это наборы (kit), требующие доукомплектования собственными силами пользователей. Вторая группа — модели мини-ПК (системные блоки), полностью готовые к работе. Первые получили наименование “Intel NUC 10 Performance kit”, вторые — “Intel NUC 10 Performance Mini PC”, хотя чаще используются просто “Kit” и “Mini PC”. 

Основой архитектуры Intel NUC10 послужили высокопроизводительные мобильные процессоры десятого поколения, чьи возможности дополнены элементами скоростных проводных и беспроводных интерфейсов. При этом в старших моделях применяются процессоры Intel Core i7-10710U, в младших — Intel Core i3-10110U, среднюю позицию занимают модели с Intel Core i5-10210U. Основные параметры этих процессоров приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры процессоров

Модели Kit и Mini PC выпускаются в металлических корпусах двух форм-факторов. Изделия подробно описаны в документе NUC10i357FN_TechProdSpec.pdf, который расположен на сайте Intel по адресу https://www.intel.com/content/dam/support/us/en/documents/intel-nuc/NUC10i357FN_TechProdSpec.pdf. 

Первый вариант — модели “Slim” (Small). В их наименовании присутствует буква “K”. Эти устройства имеют габариты 117×112×34 мм. С ножками высота такого устройства составляет 38 мм.

Второй — модели “Tall”, в их наименовании присутствует буква “H”. Они имеют габариты 117×112×48 мм, с ножками высота — 51 мм.

Рис. 1. Два варианта корпусов NUC10
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Очевидно, что обилие доступных вариантов Intel NUC10 расширяет диапазон возможностей для пользователей, но часто и затрудняет для них выбор оптимальной модели. Оценивая же основные параметры и критерии выбора, необходимо отметить, что модели с Intel Core i7-10710U демонстрируют максимальные показатели производительности, но требуют для своей работы сравнительно мощных блоков питания. А еще старшие представители дороже средних и младших собратьев, которые, кстати, также обладают обширным набором интерфейсных возможностей.

Что же касается возможностей и выбора оптимальной модели среди представителей вариантов “Tall” (высокие модели) и “Slim” (тонкие модели), то следует учитывать, что разница среди них заключается в первую очередь в числе накопителей, которые можно установить в корпус NUC10.

В моделях “Tall” могут быть установлены два накопителя: один M.2 SSD и один 2.5” HDD/SSD. При этом любой из них может использоваться в качестве системного диска. В случае необходимости можно объединить эти накопители и в RAID-массив. В дополнение к этому в качестве еще одного варианта дисковой подсистемы совместно с 2,5-дюймовым накопителем производитель предлагает использовать, как и в Tall-моделях предыдущих поколений, ускоритель Intel Optane Memory Series. Это может быть модель с информационным объемом 16GB или “более продвинутый” вариант с 32GB. Данные ускорители выпускаются в форм-факторе M.2. Они устанавливаются в слоты M.2 (вместо M.2 SSD) для совместной работы с 2,5-дюймовыми накопителями с целью ускорения работы ОС Windows 10, а также часто используемых системных и прикладных программ.

В отличие от “Tall”, архитектура и конструктив моделей “Slim” предусматривает присутствие в корпусе только одного накопителя, представленного модулем M.2 SSD. Это, впрочем, не является особенно критичным для пользователей. Дело в том, что информационная емкость современных накопителей этого типа даже в потребительском сегменте может достигать 1TB и даже 2TB (у Intel есть модели 1.024TB и 2.048TB). Емкости указанных моделей обычно вполне достаточно для решения самых разных задач, включая обработку файлов мультимедиа. Размеры таких файлов нередко составляют десятки гигабайт, особенно это касается файлов видео 4K.

Остается добавить, что все сказанное относится и к изделиям группы Kit, и к изделиям Mini PC. При этом модели, снабженные блоками питания с силовыми кабелями с вилками европейского стандарта (эта вилка совместима с розетками российского стандарта), имеют в конце наименования символ “2”. Но это, вообще говоря, не относится к особенностям архитектуры NUC10. Да и силовой кабель может быть легко заменен на вариант с вилкой другого стандарта, не говоря уже о том, что на рынке присутствуют соответствующие переходники.

Таким образом, тем пользователям, кто стремится к максимальным возможностям NUC10 и не ограничен в средствах, можно порекомендовать Tall-модели с Intel Core i7-10710U. Бережливых пользователей, а также пользователей с ограниченными финансовыми ресурсами, возможно, заинтересуют Slim-модели c Intel Core i3-10110U, хотя по производительности они и уступают моделям с Intel Core i7 и Intel Core i5. Оптимальной же серединой являются, по-видимому, модели с Intel Core i5-10210U, основные характеристики которых, приведенные на сайте производителя, представлены на рис. 2.

Рис. 2. Модели и характеристики NUC10 с Intel Core i5
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Аналогичные таблицы, конечно, есть и для Slim- и Tall-моделей с процессорами Intel Core i7-10710U и Intel Core i3-10110U (рис. 3). Эти таблицы также легко найти на сайте производителя.

Рис. 3. Модели и характеристики NUC10 с Intel Core i7 и Intel Core i3 
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Итак, «золотой серединой» являются модели NUC10, созданные на основе Intel Core i5-10210U. Учитывая рост скоростных и емкостных возможностей M.2 SSD и, конечно, популярность малогабаритных решений, пожалуй, наиболее интересными для пользователей являются модели NUC10i5FNK и NUC10i5FNKPA. А для российских пользоватедей — варианты, снабженные блоками питания, укомплектованными силовыми кабелями с европейской вилкой: NUC10i5FNK2 и NUC10i5FNKPA2. Эти Slim-модели отличаются друг от друга тем, что первая модель — это набор, а вторая — законченное устройство.

Внешний вид моделей NUC10i5FNK2 и NUC10i5FNKPA2, а также их порты и разъемы приведены на рис. 4. Основные характеристики данных устройств представлены в таблице 2.

Рис. 4. Внешний вид NUC10i5FNK2 / NUC10i5FNKPA2, а также их порты и разъемы
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Таблица 2.  Технические характеристики

Необходимо отметить, что, если NUC10i5FNKPA2 лишить комплектных модулей SO-DIMM DDR4 и накопителя M.2 SSD с установленной Windows 10 Home 64-bit, то это изделие фактически превращается в NUC10i5FNK2. И наоборот: добавьте в NUC10i5FNK2 указанные компоненты — получите NUC10i5FNKPA2. Параметры же и производительность конечного устройства в лице NUC10i5FNK2 / NUC10i5FNKPA2 зависят от используемых сменных элементов. В этом легко убедиться на примере сравнения параметров подсистемы оперативной памяти с разными модулями и дисковой подсистемы с разными накопителями.

Что же касается выбора между полностью готового к работе NUC10i5FNKPA2 и платформы NUC10i5FNK2, требующей доукомплектования модулями DDR4, SSD и ОС, то выбор остается за потенциальным пользователем. При этом следует помнить, что у него всегда имеется возможность поменять указанные компоненты, независимо от выбранной модели Kit или Mini PC в конструктиве Slim или Tall.

            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Дополнительные материалы:
Экспресс-тест Intel NUC10 Performance Mini PC
Архитектура мини-ПК Intel NUC10i5FNKPA
Производительность Intel NUC10i5FNKPA
Мини-ПК Intel NUC10i5FNKPA 

Евгений Рудометов 
 

Скоростные возможности подсистемы оперативной памяти (ОЗУ) NUC10i5FNKPA2 были оценены в процессе тестирования NUC10i5FNKPA2 с разными моделями модулей SO-DIMM DDR4.

Основные компоненты, использованные в тестовой системе:

• Процессор — Intel Core i5-10210U (литография 14 нм, микроархитектура Comet Lake, 4 физических ядра, работающих c 8 потоками, базовая частота — 1,6 ГГц, частота в режиме Turbo Boost — 4,2 ГГц, кэш 6 Мбайт, TDP 15 Вт),
• Материнская плата — Intel NUC10i5FNB,
• Графическая подсистема — встроенная в процессор Intel UHD Graphics,
• Модули ОЗУ конфигурации 1 — 2×4GB (Kingston DDR4-2666),
• Модули ОЗУ конфигурации 2 — 2×16GB (Crucial DDR4-2400),
• Дисковая подсистема — M.2 SSD 256GB,
• Блок питания — внешний компактный блок HKA09019047-6U (AC-DC: input — 100-240V/50-60Hz; output — 19V, 4,74А, 90W max),
• Операционная система — ОС Microsoft Windows 10 Home 64-bit.

В исследовании использовались две конфигурации подсистемы оперативной памяти: 8 Гбайт и 32 Гбайт.

Первая конфигурация с информационным объемом 8 Гбайт представлена двумя модулями SO-DIMM DDR4-2666 (модель Kingston KVR26S19S6/4). Каждый модуль имеет объем 4 Гбайт. Основные параметры: 512Mx64-bit (4GB), DDR4-2666, CL19, 260-pin SODIMM, VDD=1.2V Typical. Внешний вид модуля памяти представлен на рис. 4.

Вторая конфигурация с информационным объемом 32 Гбайт представлена двумя модулями SO-DIMM DDR4-2400 (модель Crucial CT16G4SFD824A). Каждый модуль имеет объем 16 Гбайт. Основные параметры: PC4-19200, CL=17, Dual Ranked, x8 based, Unbuffered, NON-ECC, 2048Meg x 64, 260-pin SODIMM, 1.2V. Внешний вид модуля памяти представлен на рис. 4.

Рис. 4. Модули ОЗУ 4GB и 16GB
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

На рис. 5 — модули памяти в NUC10i5FNKPA2.

Рис. 5. Модули ОЗУ 4GB и 16GB в NUC10
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

На рис. 6 — параметры модулей Kingston KVR26S19S6/4 и Crucial CT16G4SFD824A, определенные программой AIDA64.

Рис. 6. Характеристики модулей ОЗУ 4GB и 16GB
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Результаты тестирования подсистемы оперативной памяти обеих выше указанных конфигураций, полученные с помощью тестов программы AIDA64, приведены:

• на рис. 7 и рис. 8  —  конфигурация 2×4GB,
• на рис. 9 и рис. 10 — конфигурация 2×16GB.

Рис. 7. Оценка подсистемы ОЗУ из 2×4GB
            тестом AIDA64 Cache & Memory Benchmark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 8. Оценка подсистемы ОЗУ из 2×4GB
            тестом AIDA64 GPGPU Benchmark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 9. Оценка подсистемы ОЗУ из 2×16GB
            тестом AIDA64 Cache & Memory Benchmark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 10. Оценка подсистемы ОЗУ из 2×16GB
              тестом AIDA64 GPGPU Benchmark
              (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Результаты тестирования подсистемы оперативной памяти обеих выше указанных конфигураций, полученные с помощью теста Memory Mark пакета PassMark Software, приведены:

• на рис. 11 — конфигурация 2×4GB,
• на рис. 12 — конфигурация 2×16GB.

Рис. 11. Оценка производительности ОЗУ из 2×4GB
              тестом Memory Mark пакета PassMark Software
              (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 12. Оценка производительности ОЗУ из 2×16GB
              тестом Memory Mark пакета PassMark Software
              (кликнуть мышью для увеличения картинки)

В заключение необходимо отметить, что полученные результаты, как и предполагалось, демонстрируют зависимость параметров подсистемы памяти от используемых модулей. При этом, как это ни удивительно, вариант с менее скоростными, но более емкими модулями оказался производительнее по сравнению с 8GB вариантом NUC10i5FNKPA2. Однако вполне возможно, что достигнутые показатели можно перекрыть за счет использования еще более совершенных модулей памяти, а через них увеличить и производительность компьютера. В дополнение к этому не стоит забывать, что у пользователей NUC10 имеется возможность варьировать еще и накопители, от которых также зависит не только емкость и скоростные параметры  подсистемы, но также и производительность всей системы NUC10.

Остается отметить, что все сказанное относится и к NUC10i5FNK2.

Что же касается выбора между полностью готового к работе NUC10i5FNKPA2 и платформы NUC10i5FNK2, требующей доукомплектования модулями DDR4, SSD и ОС, то выбор остается за потенциальным пользователем. При этом следует помнить, что у него всегда остается возможность поменять указанные элементы, независимо от выбранной модели. 

Дополнительные материалы:
Экспресс-тест Intel NUC10 Performance Mini PC
Архитектура мини-ПК Intel NUC10i5FNKPA
Производительность Intel NUC10i5FNKPA
Мини-ПК Intel NUC10i5FNKPA 

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

Возможности основных подсистем мини-ПК Intel NUC10i5FNK были оценены в процессе тестирования. Его конфигурацию составляют следующие основные компоненты (рис. 3):

• Процессор — Intel Core i5-10210U (литография 14 нм, микроархитектура Comet Lake, 4 физических ядра, работающих c 8 потоками, базовая частота — 1,6 ГГц, частота в режиме Turbo Boost — 4,2 ГГц, кэш 6 Мбайт, TDP 15 Вт),
• Материнская плата — Intel NUC10i5FNB,
• Графическая подсистема — Intel UHD Graphics,
• Оперативная память — 8GB DDR4-2666,
• Дисковая подсистема — M.2 SSD 256GB,
• Блок питания — внешний компактный блок HKA09019047-6U (AC-DC: input — 100-240V/50-60Hz; output — 19V, 4,74А, 90W max),
• Операционная система — ОС Microsoft Windows 10 Home 64-bit.

Рис. 3. Конфигурация мини-ПК NUC10i5FNK
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Основные характеристики процессора и видеоадаптера приведены на рис. 4 и рис. 5.

Рис. 4. Характеристики процессора мини-ПК NUC10i5FNK

Рис. 5. Характеристики видеоадаптера мини-ПК NUC10i5FNK
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

На рис. 6 приведена оценка производительности процессора мини-ПК Intel NUC10i5FNK, выполненная программой CPU-Z.

Рис. 6. Оценка производительности процессора мини-ПК NUC10i5FNK
            программой CPU-Z

В таблице 3 приведены результаты оценки с помощью тестов PassMark Software скоростных возможностей процессоров Intel Core i5-10210U в Intel NUC10i5FNKPA2, Intel Core i7-8565U в Intel NUC8i7INHJA2 и Intel Core i7-7567U в Intel NUC7i7BNHX1, а также видеосредств этих моделей NUC в лице Intel UHD Graphics (GT2), AMD Radeon 540X с 2GB DDR5, Intel Iris Plus 650. При анализе результатов необходимо учитывать, что численные оценки зависят от версии тестового пакета, версий ОС, драйверов, BIOS.

Tаблица 3.    Оценки производительности
процессоров и видеосредств мини-ПК NUC

На рис. 7 приведена оценка производительности подсистемы оперативной памяти мини-ПК Intel NUC10i5FNK, выполненная программой AIDA64.

Рис. 7. Оценка подсистемы оперативной памяти
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

За энергонезависимое хранение информации отвечает дисковая подсистема, представленная, как уже отмечалось выше, M.2 SSD 256GB.

Оценка емкостных параметров данной дисковой подсистемы, выполненная стандартными средствами ОС Microsoft Windows 10 Home 64-bit, представлена на рис. 8.

Рис. 8. Емкостные параметры дисковой подсистемы

Для оценки производительности дисковой подсистемы использовались программы CrystalDiskMark, ATTO Disk Benchmark, AS SSD Benchmark. Результаты их работы приведены на рис. 9 – рис. 11.

Рис. 9. Оценка скоростных параметров, выполненная CrystalDiskMark

Рис. 10. Оценка скоростных параметров, выполненная ATTO Disk Benchmark
              (кликнуть мышью для увеличения картинки) 

Рис. 11. Оценка скоростных параметров, выполненная AS SSD Benchmark
              (кликнуть мышью для увеличения картинки)

В заключение необходимо отметить, что полученные результаты тестирования подтверждают сравнительно высокую производительность подсистем мини-ПК Intel NUC10i5FNK. С учетом проводных и беспроводных интерфейсов это обеспечивает возможность решения широкого круга задач. При этом возможности мини-ПК могут быть увеличены заменой штатных модулей оперативной и энергонезависимой памяти на модели, обладающие более высокими показателями информационного объема и лучшими скоростными параметрами. Но эта тема одной из следующих статей.
   

            (кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 1 
      

Евгений Рудометов 
 

Десятое поколение мини-ПК Intel NUC (Next Unit of Computing) в настоящее время представлено двумя группами изделий: двенадцатью наборами (kit), требующими своего доукомплектования силами пользователей, и восьмью моделями мини-ПК, полностью готовыми к работе. Первые получили наименование “Intel NUC 10 Performance kit”, вторые — “Intel NUC 10 Performance Mini PC”.

Одним из представителей полностью укомплектованных и готовых к работе устройств из “Intel NUC 10 Performance Mini PC” является модель Intel NUC10i5FNKPA2 (символ “2″ в наименовании, как и раньше, означает наличие в комплекте блока питания, снабженного силовым кабелем с вилкой европейского стандарта, эта вилка совместима с розетками российского стандарта). Устройство поставляется в жесткой картонной коробке.

            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Комплект указанной модели мини-ПК включает:

• мини-ПК Intel NUC10i5FNKPA2 (далее — мини-ПК Intel NUC10i5FNK),
• блок питания мини-ПК от сети переменного тока (модель HKA09019047-6U с входным напряжением 100-240В, выходным напряжением 19В, выходным током до 4,74А), снабженный кабелем с вилкой европейского стандарта,
• запасной столбик для крепления M.2 SSD,
• документация с кратким описанием подключения и безопасного использования мини-ПК, а также описание стандартов и материалов.

Рис. 1. Мини-ПК NUC10i5FNK
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

В дополнение к приведенному комплекту производитель разместил на своих сайтах еще и вспомогательное ПО и файлы с подробным описанием архитектуры моделей NUC10 и рекомендации по их настройке.

Возвращаясь к использованным в мини-ПК Intel NUC10i5FNK элементам, необходимо отметить, что применение энергоэкономичного процессора Intel Core i5-10210U, дополненного соответствующими электронными компонентами, позволило создать очень компактный компьютер.

Использованный процессор характеризуется сравнительно высокой производительностью и функциональностью. Их достаточно для решения широкого круга самых разных задач. Основные параметры Intel Core i5-10210U приведены в таблице 1.

Таблица 1.  Основные параметры Intel Core i5-10210U

Функциональные возможности мини-ПК Intel NUC10i5FNK реализованы с помощью специально разработанной для данного устройства материнской платы NUC10i5FNB форм-фактора UCFF (4.0″ × 4.0″) с использованием соответствующих комплектующих.

В данном компьютере используются видеосредства Intel UHD Graphics, встроенные в процессор Intel Core i5-10210U. Эти средства поддерживают:

• Видео HD для Blu-ray,­­
• Direct3D 2015/11.2/11.1/9/10, Direct2D, OpenCL 1.2/2.0/2.1/4.5,
• Аппаратное ускорение декодирования Full AVC/VC1/MPEG2/HEVC/VP8/VP9/JPEG,
• Аппаратное ускорение кодирования Full AVC/MPEG2/HEVC/VP8/JPEG.

Видеопоток передается как через HDMI (через LSPCON — MegaChips MCDP2800-BCT DisplayPort 1.2a to HDMI 2.0b Level Shifter/Protocol Converter) с максимальным разрешением 4096 х 2160 @ 60 Hz, 24bpp, так и через USB Type C (совместим с DisplayPort 1.2) с максимальным разрешением 4096 х 2304 @ 60 Hz, 24bpp. Из приведенных значений следует, что графические средства обеспечивают поддержку видеоконтента 4К. Поддерживается до трех дисплеев.

Оперативная память представлена двумя SO-DIMM DDR4-2666 по 4GB (модель Kingston KVR26S19S6/4). Общий объем составляет 8GB, но имеется возможность расширения до 64GB.

Поддерживаются проводные и беспроводные интерфейсы.

Функциональная схема мини-ПК Intel NUC10i5FNK представлена на рис. 2, технические характеристики — в таблице 2.

Рис. 2. Функциональная схема мини-ПК NUC10i5FNK
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Таблица 2.  Технические характеристики Intel NUC10i5FNK

В тестируемом варианте мини-ПК Intel NUC10i5FNK энергонезависимое хранение информации осуществляет накопитель M.2 SSD 256GB (модель Kingstone U-SNS8154P3/256GJ).

Что же касается результатов тестирования мини-ПК Intel NUC10i5FNK, то они приведены далее.

Конфигурация исследуемой системы и результаты проведенного тестирования рассмотрены  в следующей части  данной статьи.

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 3 
  

В мини-ПК Intel NUC10i5FNK энергонезависимое хранение информации, представленной системным и прикладным программным обеспечением, а также пользовательскими файлами программ и данных, осуществляет единственный накопитель M.2. При этом внутренние разъемы материнской платы NUC10i5FNB допускают подключение одного 2,5-дюймового SATA HDD. Однако дизайн данной модели мини-ПК не позволяет использовать HDD.

В мини-ПК Intel NUC10i5FNK конструкторы применили M2 SSD-накопитель Kingston U-SNS8154P3/256GJ. Внешний вид используемого накопителя представлен на рис. 11.

Рис. 11. Комплектный накопитель NUC10i5FNK
             (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Накопитель U-SNS8154P3/256GJ предлагается во многих торговых сетях, но, к сожалению, его подробные технические параметры найти не удалось: нет их ни на сайте производителя, ни в альтернативных источниках информации. Достоверно известно лишь то, что U-SNS8154P3/256GJ — это “M.2 2280 x2 256GB SSD” c “PCIe Gen. 3 NVMe 1.2”. Но остаются своеобразным секретом производителя такие характеристики, как скоростные параметры этого накопителя, его время наработки на отказ (MTBF) и его износоустойчивость (ресурс перезаписи данных, TBW), нет информации о контроллере и типе используемых микросхем флэш-памяти. Подключение через две линии PCIe при наличии в архитектуре мини-ПК четырех линий не позволяет надеяться на очень высокие значения скоростей чтения/записи, но это будет выяснено уже в процессе тестирования.

Оперативная память в мини-ПК Intel NUC10i5FNK представлена двумя модулями SO-DIMM DDR4 Kingston KVR26S19S6/4. Каждый модуль имеет объем 4 Гбайт. Основные параметры: 512Mx64-bit (4GB) DDR4-2666 CL19 260-pin SODIMM, VDD=1.2V Typical. Внешний вид модуля памяти представлен на рис. 12.

Рис. 12. Комплектный модуль памяти NUC10i5FNK
             (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Как упоминалось ранее, интерфейсные возможности представлены как проводными, так и беспроводными средствами.

Так, например, сетевые средства Gigabit (10/100/1000Mbps) LAN, созданные на основе контроллера Intel I219V Gigabit Ethernet, обеспечивают поддержку сети Ethernet режимов Full-duplex 10/100/1000Mbps и Half-duplex 10/100Mbps.

Модуль Intel Wi-Fi 6 AX201 предоставляет беспроводные функции Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ax, 802.11d, 802.11e, 802.11h, 802.11i, 802.11w, 802.11r, 802.11k) со скоростью до 2.4GBps в 160MHz каналах (2.4GHz, 5GHz) и Bluetooth (v.5). Фрагмент материнской платы с модулем AX201 представлен на рис. 13.

Рис. 13. Фрагмент материнской платы с модулем AX201
             (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Связь с периферийными устройствами может осуществляться через порты USB 3.1 Gen. 2 Type A и USB 3.1 Gen. 2 Type C. При этом порт USB Type C, расположенный на задней панели, может использоваться и для передачи данных и для зарядки гаджетов. Кроме того, имеется возможность использования USB 2.0 с разъемами на плате, а также CIR (Consumer Infrared).

Внутренне устройство мини-ПК Intel NUC10i5FNK приведено на рис. 14.

Рис. 14. Мини-ПК NUC10i5FNK и его элементы 
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

На накопитель SSD производителем установлена операционная система (ОС) Microsoft Windows 10 Home 64-bit. Эта ОС вместе с драйверами осуществляет управление рассмотренными выше компонентами мини-ПК Intel NUC10i5FNK, возможности которого позволяют решать широкий круг задач, включая мультимедиа и большое количество игр, не требующих, предельных ресурсов. Основные сведения о выпуске ОС Windows и системе приведены на рис. 15.

Рис. 15. Основные сведения о компьютере  
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Остается добавить, что компактные размеры и малый вес устройства позволяет на его основе конструировать моноблоки, прикрепив корпус Intel NUC10i5FNK к задней стенке монитора или телевизора (рис. 16).

Рис. 16. Сборка моноблока на основе мини-ПК NUC10i5FNK
             (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Что же касается результатов тестирования мини-ПК Intel NUC10i5FNKPA2, то этой теме будет посвящена следующая статья: Произвоительность Intel NUC10i5FNKPA.
  

             (кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 1 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 2 
  

Топология материнской платы NUC10i5FNB и элементы интерфейсов, расположенные на нижней ее стороне, представлены на рис. 6 и в таблице 2.

Рис. 6. Элементы нижней стороны материнской платы NUC10i5FNB

Таблица 2. Элементы нижней стороны материнской платы

Верхняя сторона материнской платы NUC10i5FNB — на рис. 7 и в таблице 3.

Рис. 7. Элементы верхней стороны материнской платы NUC8i7IHB

Таблица 3. Элементы верхней стороны материнской платы

Размеры материнской платы NUC10i5FNB приведены на рис. 8.

Рис. 8. Размеры материнской платы NUC10i5FNB

Внешний вид системного блока мини-ПК Intel NUC10i5FNK, приведен на рис. 9 и рис. 10, его технические параметры — в таблице 4.

Рис. 9. Фронтальная сторона мини-ПК Intel NUC10i5FNK
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 10. Обратная сторона мини-ПК Intel NUC10i5FNK
              (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Энергопитание мини-ПК осуществляется от внешнего блока питания (модель HKA09019047-6U):

• Входное напряжение — 100-240 В,
• Выходное напряжение — 19 В,
• Выходной ток — до 4,74 А.

Таблица 4. Технические характеристики Intel NUC10i5FNK

В следующей части  данной статьи рассмотрен ряд элементов мини-ПК.
  

>>    Часть 4 
      

Евгений Рудометов 
 

 >>    Часть 1 
  

В мини-ПК NUC10i5FNK использован процессор Intel Core i5-10210U, являющийся представителем десятого поколения Intel Core, кодовое наименование семейства и микроархитектуры — Comet Lake. Он относится к моделям с предельно низкими уровнями энергопотребления, а, следовательно, и теплообразования. Несмотря на то, что процессор имеет в своем составе 4 ядра, его расчетная мощность (TDP) составляет всего 15 Вт. Однако соответствующей настройкой величина TDP может быть как уменьшена до значения в 10 Вт, так и увеличена до 25 Вт. Внешний вид процессора Comet Lake U приведен на рис. 3, основные параметры Intel Core i5-10210U — в таблице 1.

Использование энергоэкономичного 4-ядерного процессора Intel Core i5-10210U позволило создать компактный компьютер, который характеризуется сравнительно высокой производительностью и функциональностью. Его возможностей достаточно для решения широкого круга самых разных задач.

Рис. 3. Процессор Intel Comet Lake U

Таблица 1. Основные параметры Intel Core i5-10210U

Для компактных систем, созданных на основе мобильных процессоров десятого поколения с предельно низкими уровнями энергопотребления и теплообразования (процессоры семейства U/Y), производитель как обычно, предлагает и соответствующие платформы. Пример такой платформы приведен на рис. 4.

Рис. 4. Структура платформы с процессором десятого поколения
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Большинство функциональных возможностей указанной платформы реализованы в мини-ПК Intel NUC10i5FNKPA с помощью специально разработанной для данного устройства материнской платы NUC10i5FNB форм-фактора UCFF (4.0″ × 4.0″) с использованием соответствующих комплектующих. Функциональная схема представлена на рис. 5.

Рис. 5. Функциональная схема мини-ПК NUC10i5FNK
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

В мини-ПК Intel NUC10i5FNK видеофункции обеспечивает встроенные в процессор видеосредства Intel UHD Graphics. Видеопоток передается как через HDMI с максимальным разрешением 4096 х 2160 @ 60 Hz, 24bpp, так и через USB Type C (совместим с DisplayPort 1.2) с максимальным разрешением 4096 х 2304 @ 60 Hz, 24bpp. Из приведенных значений следует, что графические средства обеспечивают поддержку видеоконтента 4К. Поддерживается до трех дисплеев.

Подсистема оперативной памяти представлена двумя слотами с подключением до двух модулей SO-DIMM DDR4 с максимальным объемом 64 Гбайт.

Интерфейсные возможности представлены как проводными, так и беспроводными средствами.

Связь с периферийными устройствами может осуществляться через порты USB 3.1 Gen. 2 Type A и USB 3.1 Gen. 2 Type C. Кроме того, имеется возможность использования USB 2.0 с разъемами на плате, а также CIR (Consumer Infrared).

В следующей части  данной статьи рассмотрены топология материнской платы Intel NUC10i5FNB и элементы интерфейсов, приведены основные характеристики мини-ПК Intel NUC10i5FNKPA.
  

>>    Часть 3 
      

Евгений Рудометов 
 

Компания Intel продолжает развивать семейство компактных настольных компьютеров (mini PC — мини-ПК) своей собственной разработки. Материнские платы этих устройств снабжены энергоэффективными мобильными процессорами. Изделия получили наименование NUC (Next Unit of Computing). И хотя они являются, по сути, только компактными системными блоками, требующими подключения монитора или ТВ-приемника, а также клавиатуры, мыши и т. п., производители и пользователи продолжают их традиционно называть мини-ПК (Mini PC). По сути, данное наименование для настольных компьютерных систем малого форм-фактора стало уже отраслевым стандартом. Оно часто используется рядом фирм, создающими и выпускающими подобные изделия под своим брендом.

В настоящее время семейство новейших моделей мини-ПК, разработанных и предлагаемых компанией Intel, комплектуются мобильными процессорами уже десятого поколения. Эти компьютерные изделия сменили представителей предыдущих разработок, к которым относятся модели, например, седьмого и восьмого поколений.

Согласно информации, традиционно приведенной на сайте Intel, очередное семейство в настоящее время представлено, как и ранее, двумя группами изделий: двенадцатью наборами (kit), требующими своего доукомплектования силами пользователей, и восьмью моделями мини-ПК, полностью готовыми к работе. Первые получили наименование “Intel NUC 10 Performance kit”, вторые — “Intel NUC 10 Performance Mini PC”.

В дополнение к этому модели каждой из упомянутых групп предлагаются в нескольких вариантах аппаратно-программных конфигураций. Это увеличивает разнообразие компьютерных изделий семейства NUC, особенно, учитывая наличие в продаже изделий предшествующих поколений. Все это позволяет предложить пользователям решения, которые обладают оптимальными характеристиками и возможностями для решения самых разных задач. Их диапазон простирается от приложений домашнего досуга до сферы малого бизнеса.

В качестве примера готовых к работе мини-ПК из указанного подмножества “Intel NUC 10 Performance Mini PC” можно привести модель Intel NUC10i5FNKPA2, созданную на основе 4-ядерного энергоэффективного мобильного процессора Intel Core i5-10210U интегрированными видеосредствами Intel UHD Graphics. В этом устройстве возможности процессора дополнены модулями оперативной памяти SO-DIMM DDR4, интерфейсными микросхемами, накопителем M.2 SSD с инсталлированым вариантом операционной системы Windows 10 Home. Кстати, символ “2″ в наименовании компьютера означает, как и раньше, наличие в комплекте блока питания, снабженного силовым кабелем с вилкой европейского стандарта, эта вилка совместима с розетками российского стандарта.

Некоторые особенности комплекта, архитектуры, ряда основных элементов и объявленных производителем функциональных возможностей этого изделия будут подробно рассмотрены далее.

Итак, данное устройство поставляется в жесткой картонной коробке. Она раскрашена в традиционные для производителя цветовые оттенки синего цвета.

Комплект указанной модели мини-ПК включает:

• мини-ПК Intel NUC10i5FNKPA2 (далее — мини-ПК Intel NUC10i5FNK),
• блок питания мини-ПК от сети переменного тока, снабженный кабелем с вилкой европейского стандарта,
• Запасной столбик для крепления M2 SSD,
• Документация с кратким описанием подключения и безопасного использования мини-ПК, а также описание стандартов и материалов.

Компоненты комплекта и внешний вид мини-ПК Intel NUC10i5FNK приведены на рис. 1 и рис. 2.

Рис. 1. Комплект мини-ПК NUC10i5FNK
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 2. Мини-ПК NUC10i5FNK
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

О платформе, конфигурации и ряде основных компонентов —  в следующих частях  данной статьи.
  

>>    Часть 2 
      

Евгений Рудометов 
 

В семействе компактных настольных компьютеров (mini PC — мини-ПК) компания Intel выпустила несколько вариантов NUC (Next Unit of Computing — ПК малого форм-фактора), созданных на основе процессоров десятого поколения микроархитектуры Comet Lake. Intel NUC “предоставляет весь вычислительный потенциал полноразмерного ПК на вашей ладони”. Новые устройства, которые, по сути, являются сверхкомпактными системными блоками, предлагаются производителем как в вариантах наборов, требующих установки дополнительных компонентов, так и в вариантах полностью укомплектованных блоков, включая ОС MS Windows 10 Home. Первые получили наименование “Intel NUC 10 Performance kit”, вторые — “Intel NUC 10 Performance Mini PC”.

Отличительной особенностью моделей “Intel NUC 10 Performance Mini PC” является наличие в их составе процессоров с интегрированными видеосредствами, модулей оперативной памяти SO-DIMM DDR4, материнских плат с распаянными интерфейсными микросхемами, накопителей M2 SSD и/или 2,5″ HDD с инсталлированными вариантами операционной системы Windows 10 Home.

Примером одного из полностью укомплектованных вариантов мини-ПК, относящихся к Intel NUC 10 Performance Mini PC, является модель NUC10i5FNKPA2 (рис. 1). Возможности этого устройства были оценены в процессе экспресс тестирования (рис. 2 – рис. 8). При этом перед запуском тестов в операционной системе были максимально отключены многочисленные процессы телеметрии, процессы контроля и обновления системного и прикладного программного обеспечения, сетевые средства. Как показывает опыт, без этого результаты тестирования будут значительно скромнее, так как указанные процессы “отвлекают” значительную часть аппаратных ресурсов Intel NUC.

Рис. 1.  Мини-ПК NUC10i5FNKPA2
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 2.  Основные компоненты мини-ПК NUC10i5FNKPA2

Рис. 3.  Характеристики процессора мини-ПК NUC10i5FNKPA2

Рис. 4.  Характеристики видеоадаптера мини-ПК NUC10i5FNKPA2
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 5.  Объем дисковой подсистемы мини-ПК NUC10i5FNKPA2
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Рис. 6.  Оценки производительности процессора

Рис. 7.  Скоростные возможности дисковой подсистемы, 
             измеренные CrystalDiskMark

Рис. 8.  Скоростные возможности дисковой подсистемы,
             измеренные ATTO Disk Benchmark
            (кликнуть мышью для увеличения картинки)

Как следует из полученных в процессе тестирования оценок, мини-ПК NUC10i5FNKPA2 обладает сравнительно высокой производительностью. Аналогичные значения продемонстрируют и наборы (kit) с Intel Core i5-10210U после доукомплектования этих наборов такими же модулями DDR4 и SSD, а также таким же набором ПО. Использованиие же более скоростных и более емких модулей оперативной и энергонезависимой памяти обеспечит еще большие показатели производительности этих устройств.